DE102010043618A1 - Proportionalventil zum Steuern und Ansaugen von gasförmigem Medium - Google Patents
Proportionalventil zum Steuern und Ansaugen von gasförmigem Medium Download PDFInfo
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Abstract
Proportionalventil zum Steuern von gasförmigem Medium, insbesondere Wasserstoff, umfassend ein Ventilgehäuse (6), eine Ejektoreinheit (10), die am Ventilgehäuse (6) angeordnet ist, mit einem Zuströmbereich (21), welchem ein erstes gasförmiges Medium unter Druck zugeführt wird, mit einem Ansaugbereich (22), an welchem ein zweites gasförmiges Medium ansteht, und mit einem Mischrohrbereich (23), aus welchem ein Gemisch des ersten und zweiten gasförmigen Mediums austritt, wobei der Ansaugbereich (22) zwischen dem Zuströmbereich (21) und dem Mischrohrbereich (23) angeordnet ist, einen Aktor (12), und ein Schließelement (4), welches mit dem Aktor (12) verbunden ist, und eine Durchgangsöffnung (3) freigibt und verschließt, wobei die Durchgangsöffnung (3) zwischen dem Zuströmbereich (21) und dem Ansaugbereich (22) der Ejektoreinheit (10) angeordnet ist.
Description
- Stand der Technik
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Proportionalventil zum Steuern und Ansaugen von gasförmigem Medium, insbesondere Wasserstoff, mit einer Ejektoreinheit, insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.
- Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasförmige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es werden insbesondere Proportionalventile eingesetzt, die in Abhängigkeit von einer gewünschten Antriebsleistung einen Öffnungsquerschnitt des Ventils anpassen.
- Aus der
US 2009/0155092 - Offenbarung der Erfindung
- Das erfindungsgemäße Proportionalventil zum Steuern und Ansaugen eines gasförmigen Mediums mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Ejektoreinheit am Ventilgehäuse angeordnet ist und ein Aktor ein daran befestigtes Schließelement betätigt, das eine Durchgangsöffnung freigibt und verschließt. Die Durchgangsöffnung ist hierbei zwischen einem Zuströmbereich, an dem ein erstes gasförmiges Medium zugeführt wird, und einem Ansaugbereich der Ejektoreinheit angeordnet, an dem ein zweites gasförmiges Medium ansteht. Dadurch wird eine exaktere Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchgangsöffnung erreicht. Somit kann die kontinuierliche und bedarfsgerechte Zudosierung des zweiten gasförmigem Medium insbesondere zu einer Anode der Brennstoffzelle entsprechend der verbrauchten bzw. abgeführten Menge des zweiten gasförmigen Mediums erheblich präziser geregelt werden und das Ansprechverhalten deutlich verbessert werden. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Proportionalventil einen einfachen und kompakten Aufbau auf.
- Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ferner eine Steuereinheit vorgesehen, die den Aktor basierend auf einer Pulsweitenmodulation steuert. Aufgrund des am Aktor anliegenden pulsweitenmodulierten Signals kann das Schließelement den Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung rasch und mit hoher Genauigkeit einstellen. Zudem kann eine einfache und kostengünstige Steuerung bereitgestellt werden, die aufgrund des einfachen Aufbaus um geringen Platzbedarfs insbesondere auch problemlos in ein Haupt-Steuergerät des Fahrzeugs integrierbar ist.
- In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein Drucksensor vorgesehen, der mit der Steuereinheit verbunden ist und am Ansaugbereich und/oder am Austritt des Mischrohrbereichs angeordnet ist. Basierend auf den erfassten Druckwerten ist somit gleichzeitig insbesondere eine verbesserte Regelung des Anodendrucks möglich, die eine kontinuierliche und exakte Anpassung des Öffnungsgrads der Durchgangsöffnung gewährleistet.
- Weiterhin bevorzugt umfasst die Ejektoreinheit eine Heizvorrichtung zur Beheizung der Ejektoreinheit. Die Heizvorrichtung kann mittels elektrischer Energie oder alternativ mittels eines Kühlmittels einer Brennstoffzelle betrieben werden. Durch die Beheizung der gesamten Ejektoreinheit
10 wird eine Eisbildung weitestgehend verhindert bzw. eine rasche Enteisung ermöglicht, wodurch eine hohe Betriebssicherheit in einem konstanten Temperaturbereich gewährleistet werden kann. - Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung, umfassend eine Brennstoffzelle und ein erfindungsgemäßes Proportionalventil.
- Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelle einen Anodenbereich und einen Kathodenbereich, wobei der Mischrohrbereich mit dem Anodenbereich mittels einer Verbindungsleitung verbunden ist und eine Rückführungsleitung vorgesehen ist, welche den Anodenbereich der Brennstoffzelle mit dem Ansaugbereich der Ejektoreinheit verbindet. Somit wird eine zuverlässige, überstöchiometrische Zuführung des ersten und zweiten gasförmigen Mediums über die Verbindungsleitung in den Anodenbereich sowie eine betriebssichere Rückführung des zweiten gasförmigen Mediums über die Rückführungsleitung in den Ansaugbereich der Ejektoreinheit ermöglicht. Dadurch können im Betrieb Katalysatorschädigungen durch lokale Verarmung von Teilbereichen der Brennstoffzelle mit gasförmigem Medium zuverlässig verhindert werden. Zudem kann ein unnötiges Ablassen von ungenutztem gasförmigem Medium aus dem Anodenbereich nach außen somit reduziert bzw. weitestgehend vermieden werden, woraus ein geringerer Kraftstoffverbrauch resultiert.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden ein Druck in der Verbindungsleitung durch einen ersten Drucksensor und/oder ein Druck in der Rückführungsleitung durch einen zweiten Drucksensor erfasst. Weiter bevorzugt umfasst die Brennstoffzellenanordnung eine Steuereinheit zur Steuerung eines Drucks im Anodenbereich der Brennstoffzelle, wobei die Steuereinheit mit dem Proportionalventil verbunden ist. Mittels der erfassten Druckwerte und eines in der Steuereinheit gespeicherten Regelalgorithmus kann somit eine exakte, einfache und kostengünstige Druckregelung im Anodenkreislauf der Brennstoffzelle realisiert werden.
- Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenanordnung ferner einen Tank zur Speicherung des ersten gasförmigen Mediums, eine Zuströmleitung, welche den Tank mit dem Zuströmbereich der Ejektoreinheit verbindet, und ein Druckregelventil, welches in der Zuströmleitung angeordnet ist, um einen Druck am Zuströmbereich der Ejektoreinheit einzustellen. Hierdurch wird eine betriebssichere Druckminderung vom hohen Druckniveau im Tank in einen definierten Druckbereich vor der Zuführung des ersten gasförmigen Mediums zum Proportionalventil sichergestellt.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Brennstoffzellenanordnung ferner eine Heizleitung, welche Wärme von der Brennstoffzelle zur Ejektoreinheit des Proportionalventils leitet. Somit kann eine kontinuierliche Beheizung gewährleistet werden, die eine homogene Funktion des Proportionalventils in einem geeigneten, konstanten Temperaturbereich ermöglicht. Zudem wird auf einfache Weise eine zusätzliche Kühlung der Brennstoffzelle bereitgestellt.
- Zeichnung
- Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
-
1 eine schematische Schnittansicht eines Proportionalventils gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und -
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle und dem Proportionalventil von1 . - Ausführungsform der Erfindung
- Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die
1 und2 ein Proportionalventil1 zum Steuern von gasförmigem Medium gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben. Das gezeigte Proportionalventil1 dient hierbei zur Steuerung von gasförmigem Wasserstoff, welcher einer Brennstoffzelle30 in einem Fahrzeug zugeführt wird. Hierbei wird in1 nachfolgend das erfindungsgemäße Proportionalventil1 allein und in2 das Proportionalventil1 im Verbund mit einer angeschlossenen Brennstoffzelle in einer Brennstoffzellenanordnung beschrieben. - Wie aus
1 ersichtlich ist, umfasst das Proportionalventil1 ein Ventilgehäuse6 , einen Aktor12 mit einem Anker11 und einer Magnetspule13 und ein mit dem Aktor12 verbundenes Schließelement4 . Das Schließelement4 ist direkt mit dem Anker11 verbunden und ist als Nadel ausgebildet. Eine Schließfeder14 ist über eine Federaufnahme15 mit dem Schließelement4 verbunden. Das Bezugszeichen16 bezeichnet einen Einstellbolzen, um eine Rückstellkraft der Schließfeder14 einzustellen. Die Magnetspule13 ist in einer Umspritzung17 aus Kunststoff am Ventilgehäuse6 fixiert. Ein elektrischer Steckeranschluss18 ist seitlich am Proportionalventil1 vorgesehen. - Wie aus
1 weiter ersichtlich, ist am Ventilgehäuse6 eine Ejektoreinheit10 angeordnet, in deren Innern ein Zuströmbereich21 , ein Ansaugbereich22 und ein Mischrohrbereich23 ausgebildet sind. Der Zuströmbereich21 weist eine Zuströmöffnung21a auf, durch welche ein erstes gasförmiges Medium aus einem hier nicht dargestellten Tank27 (siehe2 ) unter Druck in Richtung eines Pfeils Z zugeführt wird. Der Ansaugbereich22 weist eine Ansaugöffnung22a auf, an dem ein zweites gasförmiges Medium aus einem Anodenbereich31 einer angeschlossenen Brennstoffzelle30 (siehe2 ) ansteht und in Richtung eines Pfeils A angesaugt werden kann. Zwischen dem Zuströmbereich21 und dem Ansaugbereich22 ist eine Treibdüse43 mit einer Durchgangsöffnung3 ausgebildet, welche vom Schließelement4 bei Betätigung des Proportionalventils1 freigegeben und verschlossen wird. Im Mischrohrbereich23 sind eine Fangdüse44 und ein Diffusor45 ausgebildet. Bei geöffneter Durchgangsöffnung3 strömt das vom Zuströmbereich21 zugeführte erste gasförmige Medium unter hohem Druck in den Ansaugbereich22 ein. Unter Ausnutzung der Energie des mit höherem Druck zugeführten ersten gasförmigen Mediums wird das im Ansaugbereich21 befindliche zweite gasförmige Medium entgegen der anliegenden Druckdifferenz durch die Ansaugöffnung22a angesaugt und als Gasgemisch zusammen mit dem ersten gasförmigen Medium in Richtung eines Pfeils M aus dem Mischrohrbereich23 ausgestoßen. - Wie aus
2 ersichtlich, ist der Mischrohrbereich23 der Ejektoreinheit10 über eine Verbindungsleitung25 mit der Brennstoffzelle30 verbunden, die einen Anodenbereich31 und einen Kathodenbereich32 umfasst. Zudem ist eine Rückführleitung26 vorgesehen, die den Anodenbereich31 der Brennstoffzelle30 mit dem Ansaugbereich22 der Ejektoreinheit10 verbindet. Mittels der Rückführleitung26 kann das im Anodenbereich31 beim Betrieb der Brennstoffzelle30 entstehende zweite gasförmige Medium, das im Wesentlichen ein Gemisch aus Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf ist, zum Ansaugbereich22 zurückgeführt werden. In der Rückführleitung26 ist ferner eine Verzweigung36 mit einem Absperrventil46 vorgesehen, um das in der Rückführleitung26 befindliche zweite gasförmige Medium ggf. nach außen freigeben zu können. - In der Verbindungsleitung
25 ist ein erster Drucksensor33 zur Erfassung des Drucks in der Verbindungsleitung25 vorgesehen. Ferner ist in der Rückführleitung26 ein zweiter Drucksensor34 zur Erfassung des Drucks in der Rückführleitung26 vorgesehen. Die erfassten Druckwerte werden einer mit dem Proportionalventil1 verbundenen Steuereinheit20 zur Steuerung des Drucks im Anodenbereich31 der Brennstoffzelle30 zugeführt. Die Steuereinheit20 steuert auf der Basis einer Pulsweitenmodulation20a den Aktor12 , der das Schließelement4 betätigt, damit ein Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung3 derart verändert wird, dass kontinuierlich eine bedarfsgerechte Einstellung der der Brennstoffzelle30 zugeführten Gasströmung erfolgt. - Wie aus
2 weiter ersichtlich, wird das im Tank27 gespeicherte erste gasförmige Medium über eine Zuströmleitung28 dem Zuströmbereich21 der Ejektoreinheit10 zugeführt. In der Zuströmleitung28 ist ein mechanisches Druckregelventil29 vorgesehen, das mit der Steuereinheit20 verbunden ist, um einen Druck am Zuströmbereich21 der Ejektoreinheit10 einzustellen. Zwischen dem Druckregelventil29 und dem Tank27 ist zudem ein erstes Absperrventil24 und zwischen dem Druckregelventil29 und dem Ejektor10 ein zweites Absperrventil19 angeordnet. Die Absperrventile24 ,19 sind ebenfalls mit der Steuereinheit20 verbunden, um ggf. den Zustrom des ersten gasförmigen Mediums aus dem Tank27 zum Druckregelventil bzw. den Zustrom weiter zur Ejektoreinheit10 zu unterbrechen. - Zwischen dem Anodenbereich
31 der Brennstoffzelle30 und der Ejektoreinheit10 ist ferner eine Heizleitung40 vorgesehen, welche die in einem Kühlmittel aus einem hier nicht dargestellten Kreislauf der Brennstoffzelle30 enthaltene Wärme zur Beheizung der Ejektoreinheit10 leitet. Das Kühlmittel wird dabei in der Brennstoffzelle30 erwärmt und über die Heizleitung40 zur Ejektoreinheit10 geleitet, erwärmt dort die Ejektoreinheit10 und wird mit einer nicht gezeigten Rückleitung zur Brennstoffzelle30 zurückgeführt. - Das Proportionalventil
1 zum Steuern eines gasförmigen Mediums weist somit den Vorteil auf, dass hierbei die Zuführung des ersten gasförmigen Mediums und die Zudosierung des zweiten gasförmigen Mediums in den Anodenbereich31 der Brennstoffzelle30 mittels der elektronisch gesteuerten Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchgangsöffnung3 bei gleichzeitiger Regelung des Anodendrucks wesentlich exakter erfolgen kann. Hierdurch werden die Betriebssicherheit und Dauerhaltbarkeit der angeschlossenen Brennstoffzelle deutlich verbessert, da Wasserstoff immer in einem überstöchiometrischen Anteil zugeführt wird. Zudem können auch Folgeschäden, wie zum Beispiel Beschädigungen eines nachgeordneten Katalysators, verhindert werden. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0155092 [0003]
Claims (11)
- Proportionalventil zum Steuern von gasförmigem Medium, insbesondere Wasserstoff, umfassend: – ein Ventilgehäuse (
6 ), – eine Ejektoreinheit (10 ), die am Ventilgehäuse (6 ) angeordnet ist, – mit einem Zuströmbereich (21 ), welchem ein erstes gasförmiges Medium unter Druck zugeführt wird, – mit einem Ansaugbereich (22 ), an welchem ein zweites gasförmiges Medium ansteht, und – mit einem Mischrohrbereich (23 ), aus welchem ein Gemisch des ersten und zweiten gasförmigen Mediums austritt, – wobei der Ansaugbereich (22 ) zwischen dem Zuströmbereich (21 ) und dem Mischrohrbereich (23 ) angeordnet ist, – einen Aktor (12 ), und – ein Schließelement (4 ), welches mit dem Aktor (12 ) verbunden ist, und eine Durchgangsöffnung (3 ) freigibt und verschließt, – wobei die Durchgangsöffnung (3 ) zwischen dem Zuströmbereich (21 ) und dem Ansaugbereich (22 ) der Ejektoreinheit (10 ) angeordnet ist. - Proportionalventil nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Steuereinheit (
20 ), die ausgelegt ist, den Aktor (12 ) basierend auf einer Pulsweitenmodulation (20a ) zu steuern. - Proportionalventil nach Anspruch 2 ferner umfassend zumindest einen Drucksensor, der mit der Steuereinheit (
20 ) verbunden ist und am Ansaugbereich (22 ) und/oder am Austritt des Mischrohrbereichs (23 ) angeordnet ist. - Proportionalventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ejektoreinheit (
10 ) eine Heizvorrichtung zur Beheizung der Ejektoreinheit (10 ) umfasst. - Proportionalventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor ein Magnetaktor ist, wobei der Magnetaktor einen mit dem Schließelement (
4 ) verbundenen Anker (11 ) umfasst. - Brennstoffzellenanordnung, umfassend eine Brennstoffzelle (
30 ) und ein Proportionalventil (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. - Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (
30 ) einen Anodenbereich (31 ) und einen Kathodenbereich (32 ) umfasst, und der Mischrohrbereich (23 ) mit dem Anodenbereich (31 ) mittels einer Verbindungsleitung (25 ) verbunden ist, wobei eine Rückführleitung (26 ) vorgesehen ist, welche den Anodenbereich (31 ) der Brennstoffzelle (30 ) mit dem Ansaugbereich (22 ) der Ejektoreinheit (10 ) verbindet. - Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck in der Verbindungsleitung (
25 ) durch einen ersten Drucksensor (33 ) und/oder ein Druck in der Rückführleitung (26 ) durch einen zweiten Drucksensor (34 ) erfasst wird. - Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 6 oder 7, ferner umfassend eine Steuereinheit (
20 ) zur Steuerung eines Drucks im Anodenbereich (31 ) der Brennstoffzelle (30 ), wobei die Steuereinheit (20 ) mit dem Proportionalventil (1 ) verbunden ist. - Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, ferner umfassend einen Tank (
27 ) zur Speicherung des ersten gasförmigen Mediums, eine Zuströmleitung (28 ), welche den Tank (27 ) mit dem Zuströmbereich (21 ) der Ejektoreinheit (10 ) verbindet, und ein Druckregelventil (29 ), welches in der Zuströmleitung (28 ) angeordnet ist und mit der Steuereinheit (20 ) verbunden ist, um einen Druck am Zuströmbereich (21 ) der Ejektoreinheit (10 ) einzustellen. - Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, ferner umfassend eine Heizleitung (
40 ), welche Wärme von der Brennstoffzelle (30 ) zur Ejektoreinheit (10 ) des Proportionalventils (1 ) leitet.
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