BR102013000493B1

BR102013000493B1 - Aparelho de medição para um motor a gás e métodos para o controle de formação de mistura

Info

Publication number: BR102013000493B1
Application number: BR102013000493-6A
Authority: BR
Inventors: Frans Werner Prümm; Ralf Steinert
Original assignee: Man Truck & Bus Ag
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2022-09-06
Also published as: EP2615278A2; CN103266967B; BR102013000493A2; RU2013100163A; EP2615278A3; CN103266967A; DE102012000567A1; RU2602023C2

Abstract

APARELHO DE MEDIÇÃO PARA UM MOTOR A GÁS E MÉTODOS PARA O CONTROLE DE FORMAÇÃO DE MISTURA. A presente invenção refere-se a um aparelho de medição e um método para um motor a gás são propostos, um gás combustível sendo medido a um fluxo de ar de massa na câmara de mistura (15) de um misturador de gás (7), uma unidade de controle (8) controlando a medição do gás como uma função da velocidade rotacional do motor (n) e carga do motor (r). Um regulador de pressão altamente dinâmico (RP) alimenta o gás no espaço anular (6) que cicunda a câmara de mistura (15). Furos de medição (16) conduzem do espaço anular (6) à câmara de mistura (15), os diâmetros do furo de cujos furos de medição sendo projetados de modo que um fluxo de gás supercrítico seja alcançado nos furos de medição (16).

Description

Descrição

A presente invenção refere-se a um aparelho de medição com um misturador de gás de acordo com a cláusula pré-caracterizante da reivindicação de patente 1, e a um método para o controle de formação de mistura de acordo com a reivindicação de patente 8.

De modo a assegurar que um motor a gás opere otimamente, o motor a gás tem que ser suprido com uma mistura de gás/ar, a proporção de mistura da qual é regulada como uma função da velocidade rotacional do motor, da carga do motor e, adicionalmente, das condições de operação. Nos motores a gás natural modernos, tais são também usados para veículos motores, a mistura formada em um misturador de gás pode ser suprida aos cilindros individuais do motor a gás, por exemplo, via um sistema de injeção de trilha comum.

DE 196 54 699 B4 descreve formação de mistura para um motor de combustão interna, o combustível usado sendo um combustível gasoso, por exemplo, gás natural. O gás combustível é misturado a um fluxo de ar de massa em um misturador de gás. O fornecimento de gás é, neste caso, controlado por meio de uma válvula de disco que pode ser atuada em proporção à largura de pulso de um sinal de onda quadrada. A formação de mistura no misturador de gás é efetuada aqui por meio de uma regulação da qualidade do gás.

O objetivo no qual a invenção é baseada é especificar um aparelho de medição com um misturador de gás para um motor a gás, cujo aparelho de medição tem uma composição mais simples possível e torna possível formação de mistura regulada por pressão. Além disso, um outro objetivo no qual a invenção é baseada é especificar um método para o controle de formação de mistura em conjunto com um misturador de gás.

O objetivo que também se relaciona ao aparelho de medição é alcançado por meio das características da reivindicação de patente 1. O ob- jetivo adicional que se relaciona ao método é alcançado por meio das características da reivindicação de patente 8. Desenvolvimentos preferidos da invenção são revelados nas sub-reivindicações.

De acordo com a reivindicação de patente 1, o aparelho de medição é equipado com um misturador de gás na câmara de mistura da qual um gás é medido a um fluxo de ar de massa, via um regulador de pressão altamente dinâmico. O regulador de pressão alimenta o gás em um espaço anular que circunda a câmara de mistura, e de onde a gás chega na câmara de mistura via furos de medição, os diâmetros do furo de cujos furos de medição sendo projetados de modo que um fluxo de gás supercrítico resulte nos furos de medição. Conforme é conhecido a partir das dinâmicas de gás, em um fluxo de gás supercrítico, a velocidade do fluxo depende somente da pressão e da temperatura do gás. A medição de gás para a câmara de mistura, via os furos de medição, pode, portanto, ser regulada muito simplesmente por meio de um regulador de pressão.

O regulador de pressão usado para esta proposta pode ser um regulador de pressão variável altamente dinâmico regulado por pressão convencional que pode ser controlado, por exemplo, por meio de um sinal modulado de largura de pulso.

Os furos de medição que conduzem do espaço anular à câmara de mistura são preferivelmente dispostos de modo a serem distribuídos em intervalos angulares iguais ao redor da câmara de mistura. Isto assegura formação de mistura de gás homogênea na câmara de mistura.

Os sensores de pressão e de temperatura usados para controle do regulador de pressão são preferivelmente dispostos no referido espaço anular e transmitem sinais de medição para pressão e temperatura a uma unidade de controle que também controla o regulador de pressão como uma função da velocidade rotacional do motor e carga do motor. A pressão no espaço anular é regulada, via o regulador de pressão, de modo que a quantidade de gás requerida em cada caso passe como fluxo de gás supercrítico na câmara de mistura.

Reguladores de pressão convencionais que podem ser controla- dos, via um sinal de controle modulado de largura de pulso, podem ser usados sem dificuldade para regulação de pressão em combinação com o misturador de gás de acordo com a invenção. Contudo, reguladores de pressão que podem ser controlados digitalmente, ou de outro modo, podem também ser empregados.

A câmara de mistura pode ser projetada muito simplesmente como um segmento de tubo que tem uma seção transversal que é constante sobre seu comprimento total. O misturador de gás, desse modo, adquire um ajuste total muito simples, com o resultado que a produção de modo correspondente de custo efetivo é possível. Devido à seção transversal constante, o misturador de gás opera sem qualquer perda de pressão.

Os furos de medição que conduzem do espaço anular à câmara de mistura podem ter um diâmetro de furo de cerca de 1,2 mm a 2,0 mm para operação de um motor de veículo comercial com uma energia de cerca de 200 kW, em cujo caso, tipicamente, 8 a 12 furos de medição são dispostos de modo a serem distribuídos uniformemente entre o espaço anular e a câmara de mistura. O diâmetro do furo é, em qualquer caso, selecionado tal como para assegurar um fluxo de gás supercrítico nos furos de medição.

No método de acordo com a invenção, de acordo com a reivindicação de patente 8, a medição do gás combustível para uma taxa de fluxo de gás requerida é calculada, em cada caso, a partir do fluxo de ar de massa corrente, e a pressão do gás requerida é determinada, por sua vez, a partir desta taxa de fluxo de gás, com a temperatura do gás atual sendo levada em conta. O regulador de pressão pode, em seguida, ser controlado de modo correspondente por meio de um sinal de controle análogo ou digital. Neste caso, o sinal de controle análogo usado pode ser um sinal modulado de largura de pulso, a largura de pulso da qual constitui uma quantidade análoga para ajuste de pressão.

Para proporcionar um sinal de controle modulado de largura de pulso adequado para ativação do regulador de pressão, existe provisão, de acordo com um desenvolvimento preferido da invenção, de uma taxa de fluxo de gás a ser determinada de uma proporção de ar estipulada a um fluxo de ar de massa medido ou calculado, e de um primeiro valor de pressão desejado a ser determinado desta taxa de fluxo de gás levando-se em conta a temperatura do gás, e de um primeiro sinal de controle piloto modulado de largura de pulso a ser determinado a partir do referido primeiro valor de pressão desejado.

Por uma comparação de valor desejado/valor real entre o valor de pressão desejado e a pressão real, um segundo sinal de controle piloto modulado de largura de pulso pode ser gerado, que é ligado ao primeiro sinal de controle piloto a uma certa proporção, de modo a, em seguida, derivar e a partir deste o sinal de controle real para ativação do regulador de pressão. Neste caso, o comportamento de controle pode ser adaptado, em conjunto com um controlador de PID, a motores diferentes ou dados característicos de motor.

O controle lambda, costumeiramente nos motores de petróleo modernos, determina um fator de controle que, devido à relação linear entre a taxa de fluxo de gás e pressão do gás, pode ser multiplicado diretamente pelo primeiro valor de pressão desejado. Neste caso, é também possível aplicar controle lambda adaptativo com os fatores fra (fator adaptativo), fr (fator de controle rápido) e rka (adendo adaptativo). Um fator de taxa de controle piloto é calculado a partir do valor de pressão desejado resultante, via uma curva característica.

Um valor de pressão controlado gerado por meio de um controlador de PID, por ter um fator de conversão aplicado ao mesmo, pode ser convertido em um modo simples em um sinal modulado de largura de pulso correspondente que pode ser usado, junto com o fator de taxa de controle piloto, para gerar um fator de taxa resultante.

Conforme comparado com sistemas convencionais para formação de mistura para motores a gás, uma economia de custo considerável devido a uma quantidade menor de componentes é alcançada por meio da invenção. O misturador de gás é extremamente compacto, e, portanto, junto com o regulador de pressão do mesmo modo compacto, existe um requerimento de espaço especialmente baixo. Devido à alta velocidade de influxo a partir dos furos de medição para a câmara de mistura, um alto grau de homogeneização para a mistura gás/ar é obtido. Além disso, uma redução nas emissões de poluente pode ser alcançada por rastreio de lambda aperfeiçoado na operação dinâmica. Também, nenhuma parte de instalação de geração de perda é requerida no misturador de gás, e, portanto, perdas de pressão desnecessárias são evitadas, e uma energia mais alta e eficiência aperfeiçoada do motor a gás são alcançadas.

A invenção é explanada em maiores detalhes abaixo por meio de concretizações exemplares ilustradas no desenho, em que: a figura 1 mostra um diagrama de blocos de um controle para a- tivação de um regulador de pressão, e a figura 2 mostra um diagrama de blocos de um aparelho de medição com um regulador de pressão e com um misturador de gás super- crítico para formação de mistura para um motor a gás.

O diagrama de blocos, ilustrado na forma simplificada na figura 1, de um controle para proporcionar um sinal de controle modulado de largura de pulso SpW, por meio do qual formação de mistura em um misturador de gás de um motor a gás é controlada, detecta no lado de entrada, a uma unidade de controle SE, o fluxo de ar de massa mL, temperatura do gás Tgas, velocidade rotacional do motor n e carga do motor r. Uma taxa de fluxo de gás associada é calculada de um mapa de característica lambda KF1 relacionado a r e n. Um primeiro valor de pressão desejado Pdes-bruto é calculado a partir deste, levando-se em conta a temperatura do gás. Uma pressão de-sejada Pdes a ser ajustada é calculada do Pdes-bruto por meio de controle lambda. Um primeiro sinal de controle piloto modulado de largura de pulso Slpw é, em seguida, determinado a partir da pressão desejada Pdes com o auxílio de uma curva característica KL. Além disso, a pressão desejada Pdes é comparada com uma pressão real medida Pact em um comparador 1 que transmite o resultado da comparação a um controlador de PID 2. Na saída do controlador do controlador de PID 2, o último envia um valor de pressão controlado Pr a um conversor 3 que converte o sinal de regulação em um segundo sinal de controle piloto modulado de largura de pulso S2pw. O valor de pressão controlado Pr tem aplicado ao mesmo um fator de conversão F, por meio do qual o valor de pressão controlado Pr é convertido em um segundo sinal de controle piloto modulado de largura de pulso S2pw com um fator de taxa proporcional a este fator de conversão F. O sinal de controle piloto SlpW e o sinal de controle piloto S2pw são ligados entre si em uma unidade de avaliação 4 para a proposta de gerar o sinal de controle modulado de largura de pulso Spw. Um limitador 5 pode limitar o sinal de controle Spw a um valor mínimo ajustável MN e um máximo ajustável MX, isto é, as larguras de pulso mínima e máxima do sinal de controle Spw são limitadas a valores correspondentes MN e MX.

Na unidade de avaliação 4, os dois sinais de controle pilotos Slpw e S2pw podem estar ligados entre si, por exemplo, de modo que um valor médio seja determinado a partir de duas larguras de pulso simples de modo a formar o sinal de controle modulado de largura de pulso Spw. Basicamente, contudo, outras avaliações dos dois controles de sinal pilotos são também possíveis de modo que, por exemplo, o sinal de controle piloto Slpw tem somente uma influência de percentagem mais baixa no sinal de controle de lado de saída Spw.

O controlador de PID 2 tem três entradas, as quais os fatores de ganho KP, Kl e KD para a fração proporcional (KP), a fração integral (Kl) e a fração diferencial (KD) podem ser admitidos. O comportamento do controle do controlador de PID 2 pode, desse modo, ser ajustado para condições limites diferentes por uma escolha adequada dos fatores de ganho.

O controle ilustrado na forma simplificada na figura 1 pode também ser parte de um aparelho de controle de motor. O método ilustrado para proporcionar o sinal de controle Spw constitui uma modalidade exemplar possível.

O diagrama de blocos ilustrado na figura 2 compreende, por e- xemplo, dois acumuladores de alta pressão HD1 e HD2 que são ligados a um regulador de pressão variável altamente dinâmico RP, via válvulas reguladoras VI, V2, e uma linha de alta pressão L1. O regulador de pressão RP, no lado da saída, alimenta gás com uma pressão do gás regulada em um espaço anular 6 de um misturador de gás 7, via uma linha de pressão L2. A pressão do gás na linha de pressão L2 é regulada por meio de um aparelho de controle 8 como uma função do fluxo de ar de massa 9, e do sinal lambda de um sensor lambda 10, e como uma função da pressão e temperatura no espaço anular 6. A pressão e temperatura são transmitidas ao aparelho de controle 8 por um sensor de temperatura 11 e um sensor de pressão 12 que se projetam no espaço anular 6.

O aparelho de controle 8, no lado da saída, controla o regulador de pressão RP que contém um membro de atuação 13 essencialmente para ajuste da pressão. Uma válvula reguladora de alta pressão V3 e uma válvula reguladora de baixa pressão V4 são, do mesmo modo, controladas pelo aparelho de controle 8. Além disso, uma válvula de alívio de pressão 14 é proporcionada na linha de pressão L2 que conduz ao misturador de gás 7. O membro de atuação 13 é parte de um regulador de pressão convencional RP que pode ser controlado, por exemplo, por meio de um sinal de controle modulado de largura de pulso Spw que é descrito em conjunto com a figura 1.

O misturador de gás 7 tem uma câmara de mistura 15 que consiste de um segmento de tubo, e que é fluidicamente ligada ao espaço anular 6, via uma pluralidade de furos de medição 16 dispostos de modo a serem distribuídos na circunferência. Um fluxo de gás supercrítico prevalece nos furos de medição 16, de modo que a pressão do gás na linha de pressão L2 e, portanto, indiretamente, a quantidade de gás que flui através dos furos de medição 16, possam ser controladas como uma função dos sinais de medição a partir do sensor de temperatura 11 e do sensor de pressão 12. No fluxo supercrítico, a velocidade de fluxo depende somente da pressão P e da temperatura T no espaço anular 6.

Claims

1. Aparelho de medição para um motor a gás com um misturador de gás (7), na câmara de mistura (15) de cujo misturador de gás um gás combustível é medido para um fluxo de ar de massa (9), um controle (8) que controla a medição como uma função de fluxo de ar de massa, temperatura do gás, velocidade rotacional do motor (n) e/ou carga do motor (r) do motor a gás, caracterizado pelo fato de que um regulador de pressão altamente dinâmico (RP) alimenta o gás em um espaço anular (6) que circunda a câmara de mistura (15), e em que furos de medição (16) conduzem do espaço anular (6) para a câmara de mistura (15), os diâmetros do furo de cujos furos de medição sendo designados de modo que um fluxo de gás supercrítico prevaleça nos furos de medição (16).

2. Aparelho de medição, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os furos de medição (16) são dispostos de modo a serem distribuídos em intervalos angulares iguais ao redor da câmara de mistura (15).

3. Aparelho de medição, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de que um sensor de pressão (12) e um sensor de temperatura (11) são dispostos no espaço anular (6) e transmitem sinais de medição para pressão θ temperatura à unidade de controle (8), e em que o controle (8) controla o regulador de pressão altamente dinâmico (RP) como uma função destes sinais de medição.

4. Aparelho de medição, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o regulador de pressão (RP) pode ser controlado por meio de um sinal de controle modulado de largura de pulso (Spw), a pressão do gás no espaço anular (6) sendo dependente do fator de taxa do sinal de controle (Spw).

5. Aparelho de medição, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a câmara de mistura (15) é projetada como um segmento de tubo com uma seção transversal de fluxo que é constante sobre seu comprimento total.

6. Aparelho de medição, de acordo com qualquer uma das rei- vindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que, para uso em um motor a gás de veículo comercial com uma energia de aproximadamente 200 kW, tipicamente oito a doze furos de medição (16) com diâmetros do furo preferivelmente idênticos são proporcionados no misturador de gás (7), os diâmetros do furo assentando em uma faixa de entre 1,2 mm e 2,0 mm.

7. Aparelho de medição, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a mistura de gás passa a partir do misturador de gás (7), via entrada ou tubulações de carga de ar para as câmaras de combustão do motor a gás.

8. Método para o controle de formação de mistura, que ocorre em um aparelho de medição, para operação de um motor a gás, usando um regulador de pressão altamente dinâmico (RP), por meio do qual a medição de um gás adequado como um combustível a um misturador de gás (7) através do qual um fluxo de ar de massa ocorre, caracterizado pelo fato de que a medição do gás combustível ocorre, regulada por pressão, por meio de um fluxo de gás supercrítico, levando-se em conta em cada caso o fluxo de ar de massa (9) corrente e levando-se em conta a velocidade rotacional do motor (n) e a carga do motor (r).

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que uma taxa de fluxo de gás é determinada de uma proporção de ar estipulada a um fluxo de ar de massa medido ou calculado (mL), e um valor de pressão desejado (Pdβs) θ determinado a partir de referida taxa de fluxo de gás levando-se em conta a temperatura do gás (TgáS), e um primeiro sinal de controle piloto (Slpw) é determinado, em que um valor de pressão controlado (Pr) é derivado da diferença entre o valor de pressão desejado (Pdes) θ uma pressão real medida (Pact), em que o valor de pressão controlado (Pr) é convertido em um segundo sinal de controle piloto (S2pw), e em que um sinal de controle (Spw) para ativação do regulador de pressão (RP) é derivado de uma pesagem dos dois sinais de controle pilotos (Slpw, S2pw).

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que um controlador de PI D (2) gera o valor de pressão controlado (Pr) a partir da diferença entre o valor de pressão desejado (Pdes) e a pres são real (Pact) por meio de fatores de ganho ajustáveis (KP, Kl, KD) que se relacionam a fração proporcional, a fração integral e a fração diferencial.

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 e 10, caracterizado pelo fato de que o valor de pressão controlado (Pr) tem 5 aplicado ao mesmo um fator de conversão (F), por meio do qual o valor de pressão controlado (Pr) é convertido em um sinal de controle piloto modulado de largura de pulso (S2pw) com um fator de taxa proporcional a este fator de conversão (F).

12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 e 10 10, caracterizado pelo fato de que os valores de correção de controle lamb da adaptativo são usados de modo a calcular o valor de pressão desejado (P des).