System zur Steuerung von Druck und/oder Durchfluss eines Fluides in einer Fluidleitung

Die Erfindung betrifft ein System zur Steuerung von Druck und/oder Durchfluss eines Fluides, d.h. eines gasförmigen oder flüssigen Strömungsmittels, in einer Fluidleitung, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, insbesondere in einem Kraftfahrzeug und/oder einem Brennstoffzellensystem.

Aus der DE 44 40 970 C2 ist eine Wärmetauscheranlage mit einem System in übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Der Wärmetauscher ist in mehrere parallele, getrennte Wärmetauscherkammern aufgeteilt, die zu parallelen Teilfluidkreisläufen gehören, wobei in jedem

Teilfluidkreislauf ein Taktventil angeordnet ist, das periodisch zwischen öffnungs- und Schließstellungen umgeschaltet wird, um die Fluiddurchflussmenge im jedem Teilfluidkreislauf zu regeln. Um asymmetrische Temperaturverteilungen, Verunreinigungen des Wärmetauschers mit Gas oder Luft und störende Klopfgeräusche beim Umschalten der Ventile zu verringern, werden diese zueinander phasenverschoben zwischen ihren öffnungs- und Schließstellungen umgeschaltet.

Aus der WO 2005/112174 Al ist ein BrennstoffZeilensystem bekannt, bei sich dem stromaufwärts und stromabwärts eines

Druckregelventils in einer Brennstoffzufuhrleitung jeweils ein zwischen öffnungs- und Schließstellungen umschaltbares

Absperrorgan befindet. Beim Einschalten der Brennstoffzufuhr werden die beiden Absperrorgane zeitlich versetzt geöffnet, um eine plötzliche Druckänderung in der Zufuhrleitung und das damit verbundene Geräusch zu vermeiden.

Würde man zur Steuerung von Druck und/oder Durchflussmenge eines Fluides in einem Brennstoffzellensystem statt eines Druckregelventils ein Taktventil verwenden, welches gegenüber Regelventilen den Vorteil großer Dynamik und Robustheit hat, würden ebenfalls abrupte Druckschwankungen auftreten, Pulsationen genannt, die nicht nur störend sein können, sondern auch die Lebensdauer des Systems beeinträchtigen können. Um die Pulsationen zu reduzieren, würde man zusätzliche Bauteile benötigen, aktive oder passive (z.B. Puffervolumen) .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein System zur Steuerung von Druck und/oder Durchflussmenge eines Fluides in einer einzelnen Fluidleitung mittels Taktventilen bereitzustellen, bei dem Pulsationen ohne zusätzliche Bauteile und ohne nennenswerten zusätzlichen Raumbedarf reduziert werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Steuerungssystem durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der Erfindung sind zwei oder mehr zeitlich versetzt angesteuerte Taktventile strömungsmäßig parallel geschaltet, entweder auf beiden Seiten direkt miteinander verbunden oder mit eventuell erforderlichen weiteren Elementen wie z.B. einer Jetpumpdüse oder einem Druckminderer in den Zweig- Leitungen von und zu den Taktventilen, falls diese zwischengeschalteten Elemente und die Zweig-Leitungen unempfindlich gegen Druckschwankungen sind.

Mit der Erfindung können eingangs- und ausgangsseitige

Pulsationen wirkungsvoll vermindert werden, und zwar um so mehr, je größer die Anzahl von parallelen Taktventilen ist.

Die Entstehung von Druckpulsationen kann am verursachenden Bauteil verhindert oder reduziert werden, so dass keine zusätzlichen Bauteile notwendig sind.

Die Vorteile der Erfindung kommen besonders zum Tragen in einem Kraftfahrzeug und besonders in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere einem Brennstoffzellensystem für Kraftfahrzeuge, wegen des erheblichen Drucks z.B. in einer Brennstoffzufuhrleitung.

Grundsätzlich kann die Erfindung aber auch in irgendwelchen anderen Systemen vorteilhaft eingesetzt werden, in denen Taktventile zur Steuerung des Durchflusses oder Drucks eines Fluides eingesetzt werden und Druckschwankungen unerwünscht sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Brennstoffzellensystems mit zwei parallelen Taktventilen zur Steuerung der Brennstoffzufuhr;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel für eine Taktsteuerung der beiden Taktventile von Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 eine Prinzipskizze eines Brennstoffzellensystems ähnlich wie in Fig. 1, mit einer Jetpumpdüse in einer der ausgangsseitigen Zweig-Leitungen oder beiden; und

Fig. 4 eine Prinzipskizze eines Brennstoffzellensystems ähnlich wie in Fig. 1, mit einem Druckminderer in einer der eingangsseitigen Zweig-Leitungen oder beiden.

In Fig. 1 wird Wasserstoff aus einer Quelle 1 über eine Fluidleitung 2', 2" einer Brennstoffzelle 3 zugeführt. Zwei direkt parallel miteinander verbundene Taktventile 4, 5 zur Steuerung der Brennstoffzufuhr verbinden einen stromaufwärtigen Abschnitt 2 ' der Fluidleitung mit einem stromabwärtigen Abschnitt 2" der Fluidleitung. Die Taktventile 4, 5 haben jeweils nur zwei Schaltzustände, eine geöffnete und eine geschlossene Stellung.

Zur Steuerung bzw. Regelung der Brennstoffzufuhrmenge zwischen einem Zustand, in dem beide Taktventile 4, 5 geschlossen sind, und einem Zustand, in dem beide Taktventile 4, 5 geöffnet sind und die volle Durchflussmenge freigegeben wird, werden die Taktventile 4, 5 periodisch zwischen ihren öffnungs- und Schließstellungen umgeschaltet. Beispielsweise werden die Taktventile 4, 5 für halbe Durchflussmenge mit

einem Taktverhältnis von 50% umgeschaltet, wie in Fig. 2 gezeigt, wobei die obere Rechteckkurve den Schaltzustand des Taktventils 4 und die untere Rechteckkurve den Schaltzustand des Taktventils 5 zwischen den Zuständen AUS (geschlossene Stellung) und EIN (geöffnete Stellung) in Abhängigkeit von der Zeit t zeigt. Wie man in Fig. 2 erkennt, werden die beiden Taktventile 4, 5 um 180° phasenverschoben angesteuert, und in dem Zeitpunkt, in dem eines der Taktventile 4, 5 öffnet, schließt das andere der Taktventile 4, 5, und umgekehrt. Dadurch gibt es praktisch keine Pulsationen in der Zufuhrleitung 2', 2", da die durch die Taktventile 4, 5 verursachten Pulsationen einander aufheben.

Für andere Durchflussmengen werden die Taktverhältnisse der Taktventile 4, 5 kleiner oder größer gemacht. In diesen Fällen können die Pulsationen nicht vollständig aufgehoben werden, jedoch kann durch geeignete Phasenverschiebung der öffnungs- und Schließzustände der Taktventile 4, 5 dafür gesorgt werden, dass sich niemals negative (oder positive) Druckänderungen an beiden Taktventilen 4, 5 addieren, sondern zumindest in verschiedenen Zeitpunkten auftreten, noch besser einander aufheben. Somit ist die maximal verursachte Pulsation halb so groß wie es mit einem einzigen Taktventil erreichbar wäre.

Verwendet man mehr als zwei Ventile, lässt sich die maximal verursachte Pulsation auf einen Bruchteil entsprechend der Anzahl der Taktventile reduzieren. Hat man eine Vielzahl von Ventilen und begnügt man sich mit einer diskreten Anzahl von Durchflussmengen, so ist es auch möglich, durch geeignete Wahl der Taktverhältnisse und geeignete zeitliche

Synchronisierung der Ventilansteuerung die Pulsationen bei einer jeden diskreten Durchflussmenge praktisch auf null zu reduzieren, ähnlich wie es in dem Beispiel von Fig. 2 für halbe Durchflussmenge möglich ist.

Fig. 3 und Fig. 4, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente wie in Fig. 1 bezeichnen, zeigen zwei Varianten des Brennstoffzellensystems von Fig. 1, die jeweils für sich, aber auch kombiniert angewandt werden können.

In Fig. 3 ist der Ausgang des Taktventils 5 nicht direkt, sondern über eine Jetpumpdüse 6 mit dem stromabwärtigen Abschnitt 2" der Fluidleitung verbunden. Zusätzlich kann auch der Ausgang des Taktventils 4 über eine gestrichelt eingezeichnete Jetpumpdüse β mit dem stromabwärtigen Abschnitt 2" der Fluidleitung verbunden sein.

In Fig. 3 ist der Eingang des Taktventils 5 nicht direkt, sondern über einen Druckminderer 7 mit dem stromaufwärtigen

Abschnitt 2' der Fluidleitung verbunden. Zusätzlich kann auch der Eingang des Taktventils 4 über einen gestrichelt eingezeichneten Druckminderer mit dem stromaufwärtigen

Abschnitt 2 ¹ der Fluidleitung verbunden sein. Anstelle des Druckminderers 7 kann auch ein anderes gewünschtes Element in eine oder beide Zweigleitungen zu den Taktventilen 4, 5 eingebaut werden, z.B. ein zusätzliches Ventil. Entsprechendes gilt für die Jetpumpdüse 6 in Fig. 3.