ITMO20070004A1

ITMO20070004A1 - Regolatore di pressione

Info

Publication number: ITMO20070004A1
Application number: IT000004A
Authority: IT
Inventors: Viliam Alberini; Ercole Sangregorio
Original assignee: Landi Renzo Spa
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2008-07-12
Also published as: RU2453723C2; KR101420745B1; CA2674864C; CN101627203A; DE602008005718D1; BRPI0806536A2; US8646748B2; JP2010515993A; PL2122149T3; ES2363829T3; WO2008087511A2; CN101627203B; CA2674864A1; ATE503100T1; AU2008206789A1; AU2008206789B2; JP5220764B2; WO2008087511A3; RU2009130581A; EP2122149B1

Description

Regolatore di pressione L'invenzione concerne un regolatore di pressione per regolare la pressione di un fluido.

In particolare, l'invenzione si riferisce ad un regolatore di pressione utilizzabile in un sistema di alimentazione di un combustibile gassoso, quale ad esempio gas naturale, gas propano liquido, idrogeno o similari, per regolare la pressione del combustibile gassoso che fluisce da una sorgente del combustibile gassoso in pressione ad un dispositivo utilizzatore, quale ad esempio un motore a combustione interna.

Sono noti regolatori di pressione meccanici comprendenti un corpo internamente al quale è ricavata una camera di regolazione.

All'interno della camera di regolazione è posizionata una membrana, o un pistone, che divide tale camera di regolazione in una prima camera, o camera superiore, ed in un seconda camera, o camera inferiore.

La prima camera è collegata ad un ambiente ad una pressione di riferimento, ad esempio la pressione atmosferica .

La seconda camera comprende un ingresso ed una uscita per il combustibile gassoso collegati rispettivamente ad una sorgente e ad un dispositivo utilizzatore di combustibile gassoso.

I regolatori meccanici noti comprendono inoltre una valvola per regolare un flusso di combustibile gassoso tra l'ingresso e l'uscita.

Tale valvola è fissata ad un primo lato della membrana/pistone, affacciantesi alla seconda camera ed è provvista di una sede posizionata nella seconda camera, all'ingresso del flusso di combustibile, tra l'ingresso e l'uscita.

I regolatori meccanici noti comprendono inoltre una molla posizionata nella prima camera e fissata ad un secondo lato della membrana/pistone, affacciantesi alla prima camera ed opposto al primo lato.

Nell'uso, la molla esercita una forza elastica sulla membrana/pistone, la/il quale agisce sulla valvola posizionando e mantenendo quest'ultima ad una certa distanza dalla sede in modo da definire una luce attraverso la quale può fluire un desiderato flusso di combustibile gassoso.

In altre parole, la molla, tramite la membrana/pistone, posiziona la valvola in una determinata posizione di lavoro che corrisponde ad una desiderata pressione di uscita dal regolatore. Un limite dei regolatori meccanici noti è che la pressione di uscita varia rispetto ad un valore di pressione nominale nel campo di funzionamento del regolatore, ossia varia al variare di una pressione in ingresso al regolatore e di una portata richiesta. Un ulteriore limite dei regolatori meccanici noti è che non consentono di regolare la suddetta pressione di uscita durante il funzionamento, ossia lavorano con una pressione di uscita nominale costante che dipende dalla suddetta pressione di riferimento.

Infatti, tale pressione di uscita è determinata dalla posizione di lavoro della valvola che dipende dalla forza elastica esercitata su quest'ultima dalla molla tramite la membrana/pistone.

Tale forza elastica è funzione delle caratteristiche della molla stessa, del precarico, ed in particolare della costante elastica, e quindi non può essere modificata durante il funzionamento.

Un ancora ulteriore limite è che i regolatori meccanici noti necessitano di una taratura periodica al fine di mantenere, e quindi conservare, le prestazioni originali.

Ciò è dovuto alla membrana, la quale è soggetta ad una deriva temporale e a deformazioni permanenti.

Un altro difetto è che tali regolatori non possono essere utilizzati alle basse temperature, in assenza di uno scambio termico tra il combustibile gassoso ed una opportuna sorgente di calore.

Ciò è dovuto alla membrana che, a causa del proprio comportamento sensibile alla temperatura, si irrigidisce alle basse temperature.

Uno scopo dell'invenzione è migliorare i regolatori di pressione.

Uno scopo ulteriore è ottenere regolatori di pressione che consentano di variare la pressione di uscita.

Uno scopo ancora ulteriore è fornire regolatori di pressione che possano essere controllati durante il funzionamento .

Un altro scopo ancora è realizzare regolatori di pressione più affidabili e precisi rispetto ai regolatori noti, senza la necessità di ricorrere a periodiche tarature durante la loro vita utile.

Ancora un altro scopo è fornire regolatori di pressione aventi una minore sensibilità alle basse temperature rispetto ai regolatori meccanici noti.

Secondo l'invenzione è previsto un regolatore di pressione di un fluido comprendente mezzi a camera di regolazione in cui è ricevuto un pistone, in detti mezzi a camera di regolazione essendo definite da parti opposte di detto pistone una prima camera ed una seconda camera comprendenti rispettivamente un primo ingresso ed un secondo ingresso per detto fluido collegati ad un primo ambiente ad una prima pressione ed una prima uscita ed una seconda uscita per detto fluido collegate ad un secondo ambiente ad una seconda pressione, detto pistone essendo mobile in detti mezzi a camera di regolazione in risposta ad una variazione di pressione di detto fluido in detta prima camera per aprire/chiudere detta seconda uscita per regolare detta seconda pressione, e mezzi a valvola per aprire/chiudere detta prima uscita per indurre detta variazione di pressione in detta prima camera.

In una versione dell'invenzione, detto regolatore comprende una unità di controllo e gestione per comandare detti mezzi a valvola tramite cicli di modulazione a larghezza di impulso.

Ciò consente di ottenere regolatori di pressione che permettono, nel funzionamento, di regolare, e variare, in modo elettronico detta seconda pressione.

Infatti, in detta unità di controllo e gestione viene inserito un valore di pressione di settaggio, che rappresenta detta seconda pressione, il quale valore di settaggio può essere fisso o variabile.

Detta unità di controllo e gestione confronta poi detta seconda pressione rilevata da un sensore di pressione posizionato a valle di detta seconda uscita con la pressione di settaggio.

Successivamente, detta unità di controllo e gestione elabora, in funzione di un eventuale scostamento rilevato tra detta seconda pressione di uscita e la pressione di settaggio, un segnale elettrico che viene inviato a detti mezzi a valvola, i quali creano una variazione di pressione in detta prima camera che consente di movimentare il pistone al fine di uguagliare detta seconda pressione alla pressione di settaggio.

Inoltre, il regolatore secondo l'invenzione è più affidabile e preciso rispetto ai regolatori meccanici noti ed è utilizzabile anche alle basse temperature .

Infatti, detto regolatore non utilizza la membrana impiegata dai regolatori meccanici noti, la quale era sensibile alla temperatura e alla deriva temporale.

L'invenzione potrà essere meglio compresa ed attuata con riferimento agli allegati disegni, che ne illustrano una forma esemplificativa e non limitativa di attuazione, in cui:

Figura 1 è una vista schematica di un regolatore di pressione, in una prima configurazione operativa, inserito in un sistema di alimentazione di combustibile gassoso;

Figura 2 è una vista schematica del regolatore di pressione di Figura 1 in una seconda configurazione operativa.

Con riferimento alla Figura 1 e alla Figura 2, è mostrato un sistema 1 di alimentazione di un combustibile gassoso, quale ad esempio gas naturale, gas propano liquido, idrogeno o similari, comprendente un serbatoio 2, o bombola, disposto per contenere il combustibile gassoso ad una desiderata pressione di ingresso PIN.

Il serbatoio 2 fornisce il combustibile gassoso alla pressione di ingresso PIN ad un regolatore 3 di pressione disposto per fornire combustibile gassoso ad una pressione di uscita POUT a mezzi di dosaggio 6 di combustibile, ad esempio iniettori, di un dispositivo utilizzatore 7 di combustibile gassoso, ad esempio un motore a combustione interna.

In altre parole, il regolatore 3 è interposto tra il serbatoio 2 ed i mezzi di dosaggio 6, riceve dal serbatoio 2 il combustibile gassoso ad una pressione di ingresso PIN e fornisce il combustibile gassoso ai mezzi di dosaggio 6 ad un valore desiderato, fisso o variabile, di pressione di uscita POUT.

Il regolatore 3 comprende un corpo 8 all'interno del quale è ricavata una camera di regolazione 9.

La camera di regolazione 9 è provvista di una prima camera 10 e di una seconda camera 11, la prima camera 10 essendo operativamente posizionata al di sopra di quest'ultima .

La prima camera 10 e la seconda camera 11 comprendono rispettivamente un primo ingresso 12 ed un secondo ingresso 13 per il combustibile gassoso, il primo ingresso 12 ed il secondo ingresso 13 essendo collegati al serbatoio 2 rispettivamente tramite un primo condotto 20 ed un secondo condotto 21.

Inoltre, la prima camera 10 e la seconda camera 11 comprendono rispettivamente una prima uscita 14 ed una seconda uscita 15 (Figura 2) collegate rispettivamente ad una camera di comando 16 del regolatore 3 e ai mezzi di dosaggio 6 tramite un terzo condotto 22 ed un quarto condotto 23.

Il regolatore 3 comprende inoltre un quinto condotto 24 provvisto di una prima porta 36 e di una seconda porta 37 disposte rispettivamente per collegare il quinto condotto 24 alla camera di comando 16 ed al quarto condotto 23.

Il regolatore 3 è inoltre provvisto di un pistone 18 posizionato nella camera di regolazione 9 così da definire la prima camera 10 e la seconda camera 11. In particolare, tra il pistone 18 e la camera di regolazione 9 sono previsti mezzi a passaggio 100, opportunamente dimensionati, disposti per consentire un passaggio di combustibile gassoso tra la prima camera 10 e la seconda camera 11.

Il pistone 18 comprende una prima superficie di estremità 38 ed una seconda superficie di estremità 39, mutuamente contrapposte ed af facciantesi rispettivamente alla prima camera 10 ed alla seconda camera 11, la prima superficie di estremità 38 essendo più estesa rispetto alla seconda superficie di estremità 39.

Il pistone 18 è mobile tra una prima posizione chiusa Cl, mostrata in Figura 1, ed una prima posizione aperta Al, mostrata in Figura 2, nelle quali rispettivamente impedisce/consente al combustibile gassoso di fluire dalla seconda camera 11 ai mezzi di dosaggio 6 tramite la seconda uscita 15.

In altre parole, il pistone 18 è mobile in avvicinamento alla, ed in allontanamento dalla, seconda uscita 15, così da occludere parzialmente o completamente quest'ultima tramite una propria estremità 19.

In tal modo, è possibile variare la dimensione di una luce, non raffigurata, definita tra l'estremità 19 e la seconda uscita 15, per consentire un passaggio controllato di combustibile gassoso dalla seconda camera 11 ai mezzi di dosaggio 6.

Il regolatore 3 comprende inoltre una prima molla 25, posizionata nella prima camera 10 e disposta per movimentare il pistone 18, in avvicinamento alla seconda uscita 15.

Il regolatore 3 comprende inoltre una elettrovalvola 26 disposta per controllare una prima pressione PI presente nella prima camera 10.

L'elettrovalvola 26 è mobile tra una seconda posizione chiusa C2, mostrata in Figura 1, ed una seconda posizione aperta A2, mostrata in Figura 2. L'elettrovalvola 26 è provvista di un otturatore 27 disposto per aprire/chiudere la prima uscita 14 della prima camera 10, rispettivamente quando l'elettrovalvola 26 si trova nella seconda posizione aperta A2 e nella seconda posizione chiusa C2, comandato in allontanamento dalla prima uscita 14 da un solenoide 28, comprendente una bobina 29 avvolta attorno ad un elemento di supporto 30.

All'interno della bobina 29 è ricavato un passaggio 33 all'interno del quale è scorrevole un perno 34 fissato all'otturatore 27.

Il regolatore 3 comprende inoltre una seconda molla 31 appoggiata al perno 34 e posizionata nel passaggio 33.

In particolare, la seconda molla 31 è disposta per posizionare l'elettrovalvola 26 nella seconda posizione di chiusura C2 , ossia per spingere l'otturatore 27 contro la prima uscita 14 così da chiudere quest'ultima.

L'elettrovalvola 26 è comandata da una unità di controllo e gestione 4 utilizzante un segnale ad onda quadra modulato a larghezza di impulso, o PWM (Pulse Width Modulation) e/o modulato in frequenza.

Nell'unità di controllo e gestione 4 viene inserito un valore di pressione di settaggio PSET, che rappresenta la desiderata pressione di uscita POUT dal regolatore 3, il quale valore di settaggio PSET può essere fisso o variabile.

L'unità di controllo e gestione 4 confronta la pressione di uscita POUT rilevata da un sensore di pressione 5 posizionato a valle della seconda uscita 15 con la pressione di settaggio PSET utilizzando ad esempio un algoritmo di controllo proporzionale, integrale e differenziale (PID), oppure un algoritmo di controllo proporzionale e integrale (PI).

Successivamente, l'unità di controllo e gestione 4 elabora, in funzione di un eventuale scostamento rilevato tra la pressione di uscita POUT e la pressione di settaggio PSET, un segnale elettrico che viene inviato al solenoide 28, il quale aziona opportunamente l'otturatore 27 al fine di uguagliare la pressione di uscita POUT alla pressione di settaggio PSET.

Viene nel seguito descritto il funzionamento del regolatore 3 con riferimento alle Figure 1 e 2, nelle quali il regolatore 3 si trova rispettivamente in una prima configurazione A ed in una seconda configurazione B.

Nella prima configurazione A, la bobina 29 non è eccitata e l'elettrovalvola 26 è nella seconda posizione di chiusura C2, nella quale l'otturatore 27, grazie ad una forza premente esercitata dalla seconda molla 31 è mantenuto a riscontro della, ossia chiude la, prima uscita 14.

Nella prima configurazione A, agiscono sulla prima superficie di estremità 38 del pistone 18 una prima forza FP1 dovuta alla prima pressione PI presente nella prima camera 10 ed una forza elastica FEL esercitata dalla prima molla 25 che spingono il pistone 18 in avvicinamento alla seconda uscita 15.

D'altra parte, nella prima configurazione A agiscono sulla seconda superficie di estremità 39 del pistone 18 una seconda forza FP2 dovuta ad una seconda pressione P2 presente nella seconda camera 11 ed una terza forza FP3 dovuta alla pressione di uscita POUT, la pressione di uscita POUT essendo minore rispetto alla pressione di ingresso PIN, presente nel quarto condotto 23 che spingono il pistone 18 in allontanamento dalla seconda uscita 15.

Nella prima configurazione A, la prima pressione PI è uguale alla seconda pressione P2 ed entrambe sono uguali alla pressione di ingresso PIN ma poiché la prima superficie di estremità 38 è maggiore rispetto alla seconda superficie di estremità 39, la prima forza FP1 sarà in modulo maggiore rispetto alla seconda forza FP2 e la somma dei moduli della prima forza FP1 e della forza elastica FEL sarà maggiore della somma dei moduli della seconda forza FP2 e della terza forza FP3, e quindi il pistone 18 è mantenuta nella prima posizione chiusa CI.

Nella seconda configurazione B, la bobina 29 viene eccitata e l'elettrovalvola 26 è nella seconda posizione aperta A2, nella quale l'otturatore 27, è sollevato rispetto alla prima uscita 14.

In tal modo, poiché la prima uscita 14 ha un primo diametro di maggiore rispetto ad un secondo diametro d2 del primo ingresso 12 si ha una flusso di combustibile gassoso che fuoriesce dalla prima camera 10 verso la camera di comando 16 e da questa, tramite 11 quinto condotto 24 verso i mezzi di dosaggio 6. Tale flusso di combustibile gassoso provoca una diminuzione della prima pressione PI nella prima camera 10 e conseguentemente della prima forza FP1. Quando la prima forza FP1 ha raggiunto un valore tale per cui la somma dei moduli della prima forza FP1 e della forza elastica FEL è minore della somma dei moduli della seconda forza FP2 e della terza forza FP3, il pistone 18 è movimentato in allontanamento dalla seconda uscita 15, ossia passa dalla prima posizione chiusa C2 alla prima posizione aperta Al, nella quale dalla seconda camera 11, costantemente alimentata di combustibile gassoso alla pressione di ingresso PIN, fluisce un flusso controllato di combustibile gassoso verso i mezzi di dosaggio 6.

Successivamente, il sensore di pressione 5 rileva la pressione di uscita POUT all'uscita dal regolatore 3 ed invia un segnale all'unità di controllo e gestione 4, che provvede a confrontare tale pressione di uscita POUT con la pressione di settaggio PSET e ad inviare opportuni segnali di comando all'elettrovalvola 26 nel caso in cui essa rilevi uno scostamento tra tali valori.

Il regolatore 3 consente inoltre di regolare in modo efficace anche un flusso minimo del combustibile gassoso verso i mezzi di dosaggio 6, anche in condizioni di pressione massima per il suddetto combustibile gassoso.

Infatti, azionando opportunamente l'elettrovalvola 26, è possibile far fuoriuscire un piccolo flusso di combustibile gassoso dalla prima camera 10, in modo che la variazione della prima pressione PI realizzata nella prima camera 10 non sia tale da movimentare il pistone 18, il quale rimane nella prima posizione chiusa CI.

Tale piccolo flusso, controllato dall'unità di controllo e gestione 4, fluisce dalla prima camera 10 verso i mezzi di dosaggio 6 tramite il quinto condotto 24.

In altre parole, è possibile fornire un piccolo flusso di fluido senza azionare il pistone 18, ossia bypassandolo .

Si noti, come l'elettrovalvola 26, opportunamente comandata dall'unità di controllo e gestione 4, consenta di regolare la prima pressione PI e quindi regoli l'inizio e la durata dell'erogazione di combustibile gassoso verso i mezzi di dosaggio 6.

Al fine di assicurare un funzionamento ottimale del regolatore 3 il primo diametro di deve essere sufficientemente piccolo per contenere le forze di pressione agenti sull'otturatore 27.

In altre parole, il primo diametro di deve essere sufficientemente piccolo per consentire alla seconda molla 31 di mantenere l'elettrovalvola 26 nella seconda posizione di chiusura C2 quando la bobina 29 non è eccitata.

Inoltre, il primo diametro di deve essere maggiore rispetto al secondo diametro d2 in modo che una portata di combustibile gassoso in uscita dalla prima camera 10 sia maggiore di una ulteriore portata di combustibile gassoso in ingresso alla prima camera 10.

Ancora, un primo volume definito dalla prima camera 10 deve essere molto minore, quando il pistone 18 si trova nella prima posizione di chiusura Cl, rispetto ad un secondo volume definito dalla seconda camera 11.

Ciò è particolarmente importante in una fase di ingresso del combustibile gassoso, affinché la prima camera 10 si riempia più velocemente rispetto alla seconda camera 11 per evitare una apertura indesiderata, ossia non comandata dall'elettrovalvola 26, del pistone 18.

Inoltre, si noti come il regolatore 3 possa essere inserito, ed utilizzato, in una posizione qualunque in una conduttura del gas, non raffigurata, tra un dispositivo di alimentazione ed un dispositivo utilizzatore, oppure possa essere utilizzato come regolatore per veicoli con motori alimentati con pile a combustibile, oppure impiegato per regolare la pressione di un fluido qualsiasi.

Ancora, si noti come il regolatore 3 sia gestito, nel funzionamento, dall'unita di controllo e gestione 4, che consente, in un primo caso di regolare, e in un secondo caso di variare, in modo elettronico la pressione di uscita POUT.

Nel primo caso il controllo elettronico è in grado di compensare eventuali derive che si possono verificare durante la vita del regolatore 3 senza la necessità di ricorrere a tarature periodiche.

Nel secondo caso il controllo elettronico consente di compensare eventuali derive del dispositivo utilizzatore 7 del combustibile gassoso e/o di fornire la pressione di uscita POUT desiderata per soddisfare eventuali strategie evolute del dispositivo utilizzatore 7 stesso.

Inoltre, il controllo elettronico permette di diagnosticare eventuali guasti sia del regolatore 3 che del dispositivo utilizzatore 7 così da poter realizzare una strategia di sicurezza.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Regolatore di pressione di un fluido comprendente mezzi a camera di regolazione (9) in cui è ricevuto un pistone (18), in detti mezzi a camera di regolazione (9) essendo definite da parti opposte di detto pistone (18) una prima camera (10) ed una seconda camera (11) comprendenti rispettivamente un primo ingresso (12) ed un secondo ingresso (13) per detto fluido collegati ad un primo ambiente (2) ad una prima pressione (PIN) ed una prima uscita (14) ed una seconda uscita (15) per detto fluido collegate ad un secondo ambiente (23) ad una seconda pressione (POUT), detto pistone (18) essendo mobile in detti mezzi a camera di regolazione (9) in risposta ad una variazione di pressione di detto fluido in detta prima camera (10) per aprire/chiudere detta seconda uscita (15) per regolare detta seconda pressione (POUT), e mezzi a valvola (26) per aprire/chiudere detta prima uscita (14) per indurre detta variazione di pressione in detta prima camera (10).
2. Regolatore secondo la rivendicazione 1, e comprendente mezzi a passaggio (100) posizionati tra detto pistone (18) e detti mezzi a camera di regolazione (9) disposti per consentire un passaggio di detto fluido tra detta prima camera (10) e detta seconda camera (11).
3. Regolatore secondo la rivendicazione 1, oppure 2, in cui detto pistone (18) comprende una prima superficie (38) ed una seconda superficie (39) affacciantisi rispettivamente a detta prima camera (10) e a detta seconda camera (11), detta prima superficie (38) essendo più estesa rispetto a detta seconda superficie (39).
4. Regolatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta prima camera (10) e detta seconda camera (11) definiscono rispettivamente un primo volume ed un secondo volume, detto primo volume essendo minore rispetto a detto secondo volume.
5. Regolatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta prima uscita (14) ha un primo diametro (di) maggiore rispetto ad un secondo diametro (d2) di detto primo ingresso (12).
6. Regolatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, e comprendente mezzi a condotto (24) disposti per collegare detta prima uscita (14) a detta seconda uscita (15).
7. Regolatore secondo la rivendicazione 6, e comprendente mezzi a camera di comando (16) interposti tra detta prima uscita (14) e detti mezzi a condotto (24) e disposti per ricevere detti mezzi a valvola (26).
8. Regolatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, e comprendente primi mezzi spintori (25) posizionati in detta prima camera (10) per spingere detto pistone (18) in avvicinamento a detta seconda uscita (15).
9. Regolatore secondo la rivendicazione 8, in cui detti primi mezzi spintori comprendono un primo elemento elastico (25).
10. Regolatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, e comprendente secondi mezzi spintori (31) per spingere detti mezzi a valvola (26) in avvicinamento a detta prima uscita (14).
11. Regolatore secondo la rivendicazione 10, in cui detti secondi mezzi spintori comprendono un secondo elemento elastico (31).
12. Regolatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi a valvola comprendono una elettrovalvola (26).
13. Regolatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, e comprendente una unità di controllo e gestione (4) disposta per comandare detta elettrovalvola (26) tramite cicli di modulazione a larghezza di impulso.
14. Uso di un regolatore (3) come rivendicato in una delle rivendicazioni precedenti, in un sistema di alimentazione di un combustibile gassoso.