用于变工况燃料电池的可伸缩共轴的双喷嘴喷射器及方法

技术领域

本发明属于喷射器领域，尤其涉及一种用于变工况燃料电池的可伸缩共轴的双喷嘴喷射器及方法

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

质子交换膜燃料电池是一种将氢气的化学能转化为电能的能量转换装置，由于其具有效率高、启动快、功率密度高、运行声音小等优点，成为替代内燃机作为汽车的动力源泉的绿色替代品。供氢子系统作为燃料电池中重要的子系统之一，通常使用机械泵完成对氢气的再循环利用，以提高燃料电池的氢利用率，但机械泵造价高、密封性差、稳定性差且会产生额外功率消耗。引射器具有成本低、密封性好、噪音低，并且在使用过程中无寄生功率消耗等优点，有着替代机械泵的发展趋势。

喷射器结构简单，无移动部件，一般适用于固定工况运行，但是发明人发现，燃料电池往往变工况运行，一次流的流量和压力要随功率变化而变化，因此固定结构喷射器在变工况下性能变差，尤其是小功率区，由于一次流流量小压力小，无法满足燃料电池循环的需求。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明的第一个方面提供一种用于变工况燃料电池的可伸缩共轴的双喷嘴喷射器，其既能够实现变流量的调节，又能提升在不同流量下的引射性能，尤其能够提升小流量区的引射性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于变工况燃料电池的可伸缩共轴的双喷嘴喷射器，其包括壳体，所述壳体内部设有波纹管、弹簧、喷嘴组件、二次流、混合室和扩压室；所述二次流、混合室和扩压室依次连通；

所述喷嘴组件包括共轴嵌套的第一喷嘴和第二喷嘴，所述第一喷嘴设置于第二喷嘴内部；所述波纹管串接在第二喷嘴的出口及入口之间，以使得第二喷嘴随着流体压力伸缩移动，从而实现喷嘴组件的出口位置及出口面积均可随工况变化而变化；所述弹簧套设在第二喷嘴的外部，所述弹簧的一端固定于第二喷嘴上，另一端固定于壳体上，以确保第二喷嘴伸缩过程中的同轴性。

进一步地，所述第二喷嘴上设置有第一凸起，所述波纹管连接在第一凸起上。

进一步地，所述弹簧的一端固定在第一凸起上。

进一步地，所述壳体上设置有第二凸起，所述弹簧的另一端固定在第二凸起上。

进一步地，所述第一凸起和第二凸起沿流体喷射方向设置。

进一步地，第一喷嘴和第二喷嘴均可闭合。

为了解决上述问题，本发明的第二个方面提供一种如上述所述的用于变工况燃料电池的可伸缩共轴的双喷嘴喷射器的工作方法，其包括：

根据一次流压力、喷嘴组件的投影面积、弹簧的弹性系数及长度四者之间的关系，改变第一喷嘴和第二喷嘴的工作状态，以自适应一次流压力的变化，达到最佳的喷射效果。

进一步地，一次流压力、喷嘴组件的投影面积、弹簧的弹性系数及长度四者之间的关系为：一次流压力与喷嘴组件的投影面积之积等于弹簧的弹性系数及长度之积。

进一步地，所述第一喷嘴和第二喷嘴的工作状态包括：

第一喷嘴关闭，第二喷嘴打开，随一次流压力增大，弹簧被压缩，第二喷嘴受力右移，出口面积增大，以适用于流量不超过第二喷嘴最大喷射量的情况；

第一喷嘴第二喷嘴都打开，随一次流压力增大，第二喷嘴右移，出口面积变大，流量达到最大。

进一步地，所述第一喷嘴和第二喷嘴的工作状态还包括：

第一喷嘴打开，第二喷嘴关闭，以适用于一次流压力恒定不变的情况。

本发明的有益效果是：

针对传统固定喷嘴无法调节流量的缺点，本发明提出了可伸缩共轴的双喷嘴喷射器，该双喷嘴喷射器在第二喷嘴的出口及入口之间串接波纹管，以使得第二喷嘴随着流体压力伸缩移动，从而实现喷嘴组件的出口位置及出口面积均可随工况变化而变化；在第二喷嘴的外部套设弹簧，以确保第二喷嘴伸缩过程中的同轴性，一方面实现了变流量的调节，另一方面在不同流量下的引射性能，尤其是提升了小流量区的引射性能，这是固定结构喷射器所不具有的。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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是本发明实施例的用于变工况燃料电池的可伸缩共轴的双喷嘴喷射器剖视图；

图2是本发明实施例的用于变工况燃料电池的可伸缩共轴的双喷嘴喷射器的受力情况；

图3是本发明实施例的用于变工况燃料电池的可伸缩共轴的双喷嘴喷射器的参考轴方向；

图4是本发明实施例的用于变工况燃料电池的可伸缩共轴的双喷嘴喷射器的喷嘴投影。

其中，1波纹管、2弹簧、3第一喷嘴、4第二喷嘴、5二次流、6混合室、7扩压室。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

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，本文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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

为了解决上述背景技术中存在的问题，本实施例的一种用于变工况燃料电池的可伸缩共轴的双喷嘴喷射器，其适用于变工况燃料电池，既能够实现变流量的调节，又能在不同流量下的引射性能，尤其能够提升小流量区的引射性能。

参照图1，本实施例提供了一种用于变工况燃料电池的可伸缩共轴的双喷嘴喷射器，其包括壳体，所述壳体内部设有波纹管1、弹簧2、喷嘴组件、二次流5、混合室6和扩压室7；所述二次流5、混合室6和扩压室7依次连通；

所述喷嘴组件包括共轴嵌套的第一喷嘴3和第二喷嘴4，所述第一喷嘴3设置于第二喷嘴4内部；所述波纹管1串接在第二喷嘴4的出口及入口之间，以使得第二喷嘴4随着流体压力伸缩移动，从而实现喷嘴组件的出口位置及出口面积均可随工况变化而变化；所述弹簧套2设在第二喷嘴4的外部，所述弹簧2的一端固定于第二喷嘴4上，另一端固定于壳体上，以确保第二喷嘴4伸缩过程中的同轴性。

在本实施例中，所述第二喷嘴4上设置有第一凸起，所述波纹管1连接在第一凸起上。所述弹簧的一端固定在第一凸起上。这样通过设置凸起的方式来实现波纹管与第二喷嘴连接的稳定性。

需要说明的是，在其他实施例中，波纹管与第二喷嘴的连接方式，也可采用其他结构来实现，比如螺纹结构等，本领域技术人员可根据实际情况来具体选择现有的其他连接方式。

具体地，所述壳体上设置有第二凸起，所述弹簧2的另一端固定在第二凸起上。这样能够保障弹簧连接的稳定性。

其中，所述第一凸起和第二凸起沿流体喷射方向设置，这样使得波纹管和弹簧的固定结构简单且使得波纹管和弹簧两者能够最佳配合，提高喷射器的喷射能力。

在本实施例中，第一喷嘴和第二喷嘴均可闭合，这样能够适应不同的一次流压力工况。

在燃料电池变工况下，一次流压力P对应着喷嘴伸缩位置x，由此可确定出弹簧的弹性系数k，并根据弹性系数k选择弹簧的材料，以及弹簧的长度。波纹管主要取伸缩和密封作用，弹性可以忽略。各处良好密封，材质选择抗氢脆材质，如316L不锈钢。

PS cosθ＝kx

通过上式，以及压力变化范围P

反之，对于设计好的可变喷嘴喷射器的喷嘴变化位置，可反推适用的工况变化范围P

本实施例的如图1所示的用于变工况燃料电池的可伸缩共轴的双喷嘴喷射器的工作方法，其包括：

根据一次流压力、喷嘴组件的投影面积、弹簧的弹性系数及长度四者之间的关系，改变第一喷嘴和第二喷嘴的工作状态，以自适应一次流压力的变化，达到最佳的喷射效果。

在本实施例中，一次流压力、喷嘴组件的投影面积、弹簧的弹性系数及长度四者之间的关系为：一次流压力与喷嘴组件的投影面积之积等于弹簧的弹性系数及长度之积，如图2、图3和图4所示。也就是，燃料气体作用在水平方向的力等于压力乘第二喷嘴的投影面积S cosθ，等于弹簧的弹性系数k乘伸缩距离x。

在本实施例中，第一喷嘴和第二喷嘴的工作状态包括：

第一喷嘴关闭，第二喷嘴打开，随一次流压力增大，弹簧被压缩，第二喷嘴受力右移，出口面积增大，以适用于流量不超过第二喷嘴最大喷射量的情况；

第一喷嘴打开，第二喷嘴关闭，以适用于一次流压力恒定不变的情况；

第一喷嘴第二喷嘴都打开，随一次流压力增大，第二喷嘴右移，出口面积变大，流量达到最大。

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。