JP2007510087A

JP2007510087A - 内燃機関の制御システム

Info

Publication number: JP2007510087A
Application number: JP2006537204A
Authority: JP
Inventors: フェカンプ，ブノワ; ファドュラン，エヴァー・アヴリエル; ステファノ・グロッピ
Original assignee: Nuovo Pignone Holding SpA
Current assignee: Nuovo Pignone Holding SpA
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2007-04-19
Also published as: EP1685315A1; ITMI20032109A1; EP1685315B1; DE602004032045D1; KR20060113677A; CN1875177A; ATE503919T1; CN100439674C; WO2005049989A1

Abstract

燃焼チャンバ（１１）と触媒（４０）とを含むタイプの燃焼ユニット（１０）の制御／調節システムであって、燃焼ユニット（１０）の機能状態に特徴付けられる機能パラメータに比例した信号の収集デバイスと、信号をそこから受け取る信号収集デバイスに接続された電子データ処理ユニット（３０）と、前記電子データ処理ユニット（３０）に関連付けられた制御／調節プログラムと、第１の燃料分配弁（２０）と、第２の空気分配弁（２１）と、前記電子データ処理ユニット（３０）に関連付けられたデータベースとを含んでおり、該電子データ処理ユニット（３０）が、信号収集デバイスから信号を受け取って処理し、燃焼ユニット（１０）のＣＯおよびＮＯｘの汚染排出を最小限に抑えるように第１の弁（２０）および第２の弁（２１）の開放を調節するシステム。

Description

本発明は、触媒を備えた燃焼ユニットの制御及び調節システム、より詳細には、汚染排出を低減し、かつ触媒の寿命を延長するように、触媒の機能を制御し調節するシステム（以下「制御／調節システム」という。）に関する。

燃焼ユニットは、通常、第１の燃焼チャンバと、触媒と、第２の燃焼チャンバとを含む。

燃焼チャンバには、また、燃料のための入口ダクトと、圧縮機から来る圧縮空気のための第２の入口ダクトと、排気ガスの第３の排出ダクトとが含まれる。

触媒の機能温度が、その適正な機能に特有の予め確定された温度範囲内にあるときには、該触媒は、適正に機能するので、ＣＯやＮＯｘなどの汚染排出の削減が可能になる。

一方、この温度範囲内に入らない運転温度では、触媒は、適正に機能せず、ＣＯおよびＮＯｘ汚染排出を十分に低減しない。

欠点の１つは、現行の触媒燃焼ユニットでは、触媒の機能温度が該触媒の適正な機能に特有の温度範囲内に入らないことがあるので、汚染物質の削減が保証されないことである。

他の欠点は、現在の触媒燃焼ユニットでは、前記触媒が特有の温度範囲に満たない温度で機能する場合、該触媒が汚染されて、その早期交換を余儀なくさせる虞があることである。

他の欠点は、現在使用されている触媒燃焼ユニットでは、該ユニットが触媒の適正な機能に特有の範囲に含まれる温度よりも高い温度で機能する場合、前記触媒が急激に劣化して古くなり、したがって耐用年数が短くなることである。

他の欠点は、環境条件、例えば、空気の温度、圧力、湿度などが変動する状況で、温度を触媒の適正な機能温度にすることが不可能なことである。
独国特許出願公開第３３０６４８４号明細書欧州特許出願公開第１４１８３１８号明細書

本発明の目的は、空気の温度、圧力、湿度などの環境条件が変動する状況でも、汚染排出を最小限に抑えることが可能な、燃焼ユニットの制御／調節システムを提供することである。

他の目的は、触媒の機能温度が常にその適正な機能に特有の範囲内に来る、燃焼ユニットの制御／調節システムを提供することである。

本発明によるこれらの目的は、燃焼ユニット自体の特徴的な機能パラメータを検出かつ処理することによってＣＯおよびＮＯｘ汚染排出を最小限に低減するように該ユニットを調節する、燃焼ユニットの制御／調節システムを用いて達成される。

本発明の一態様は、燃焼チャンバ（１１）と触媒（４０）とを含むタイプの燃焼ユニット（１０）の制御／調節システムであって、
燃焼ユニット（１０）の機能状態に特徴付けられる機能パラメータに比例した信号の収集デバイスと、
信号をそこから受け取る信号収集デバイスに接続された電子データ処理ユニット（３０）と、
前記電子データ処理ユニット（３０）に関連付けられた制御／調節プログラムと、
第１の燃料分配弁（２０）と、
第２の燃焼空気調節弁（２１）と、
前記電子データ処理ユニット（３０）に関連付けられたデータベースとを含んでおり、
前記電子データ処理ユニット（３０）が、信号収集デバイスから信号を受け取って処理し、燃焼ユニット（１０）のＣＯおよびＮＯｘの汚染排出を最小限に抑えるように第１の弁（２０）および第２の弁（２１）の開放を調節するシステムに関する。

本発明による燃焼ユニットの制御／調節システムの特徴および利点は、添付の略図を参照し、以下の例示的かつ非限定的な説明を読めば、より明らかになる。

図を参照すると、この図は、燃焼ユニット１０の制御／調節システムの好ましい一実施形態を示す。

制御／調節システムは、燃焼ユニット１０の機能に特徴付けられる少なくとも１つの信号を検出可能な信号収集デバイスを含む。

制御／調節システムが、第１の燃料分配弁２０と、第２の空気流量調節弁２１とを含むことが好ましい。

制御／調節システムは、電子ユニット３０と、燃焼ユニット１０の特徴付けられる機能パラメータに比例した信号を検出可能な信号収集デバイスとを含む。

電子ユニット３０は、信号収集デバイスに接続される。

さらに、前記電子ユニット３０は、第１の弁２０および第２の弁２１に接続されて、それらを制御する。

制御／調節システムは、また、前記電子データ処理ユニット３０に関連付けられたプログラムも含む。

制御／調節システムが、前記電子データ処理ユニット３０に関連付けられたデータベースを含むことが好ましい。

前記電子ユニット３０は、燃焼ユニット１０の機能状態に特徴付けられるパラメータを制御し、これらに基づいて、第１の弁２０および第２の弁２１の開放を調節する。

前記燃焼ユニット１０には、燃焼チャンバ１１が含まれており、この燃焼チャンバが、第１のエリア１２と、触媒４０がそこに位置決めされる第２の中央エリア１３と、第３のエリア１４とを含む。

前記燃焼ユニット１０が、燃料のための第１の入口ダクト７１と、圧縮空気のための第２の入口ダクト７２と、排気ガスのための排出ダクト７３とを含むことが好ましい。

前記燃焼ユニット１０は、燃料のための第３の入口ダクト７４を含む。

前記燃焼ユニット１０は、また、燃焼チャンバ１１の第１のエリア１２と第３のエリア１４とを連結するダクト７５も含む。

それを通過する空気を調節する第２の弁２１は、ダクト７５上に位置決めされる。

前記燃焼ユニット１０は、圧縮機５０およびタービン８０に連結される。

前記圧縮機５０は、空気を圧縮し、次いでその空気が第２の入口ダクト７２に導入される。

前記タービン８０は、排出ダクト７３から高温の空気を受け取る。

第２の入口ダクト７２は、燃焼チャンバ１１の第１のエリア１２に連結されており、したがって、圧縮機５０から来る圧縮空気は、燃焼チャンバ１１へと流れ込む。

第１の入口ダクト７１は、燃料を第１のエリア１２に流入させるように燃焼チャンバに連結されており、第３の入口ダクト７４は、燃料を第１のエリア１２と第２のエリア１３との間に流入させるように燃焼チャンバに連結されている。

第１の弁２０は、主ダクト７０から燃料を受け取り、それを第１の入口ダクト７１と第３の入口ダクト７４との間で分配する。

信号収集デバイスは、燃焼ユニット１０の機能状態に特徴付けられるパラメータに比例した信号を検出するのに適した一連のセンサを含む。

この一連のセンサは、燃焼チャンバ１１内に位置したいくつかの温度センサを含む。

前記一連の温度センサは、複数の温度センサの第１のセット６０と、複数の温度センサの第２のセット６１と、複数の温度センサの第３のセット６２とを含む。

前記一連のセンサは、また、圧縮機５０から来る圧縮空気の圧力を測定する圧力センサ６３と、圧縮機５０を出て行く圧縮空気の温度を測定する温度センサ６４と、タービン８０の出口７６での排気ガスの圧力センサ６５および温度センサ６６とを含む。

タービン８０の出口での排気ガスの圧力および温度は、それぞれ、圧力センサ６５および温度センサ６６を用いて検出される。

第１の一連の温度センサ６０および第２の一連の温度センサ６１は、触媒４０に近接して位置する。

具体的には、第１の一連の温度センサ６０は、燃焼チャンバ１１の第１のエリア１２と第２のエリア１３との間に位置決めされ、第２の一連の温度センサ６１は、燃焼チャンバ１１の第２のエリア１３と第３のエリア１４との間に位置する。

圧縮機５０から来る圧縮空気の大部分は、第２の入口ダクト７２を通って燃焼チャンバ１１の第１のエリア１２に流入して、第１の入口ダクト７１に導入された燃料と混合され、圧縮空気の残りの部分は、ダクト７５内を通って燃焼チャンバ１１のエリア１４の下流に再流入し、燃焼プロセスには関与しない。

次いで、燃料と圧縮空気との燃焼反応が起こり、その結果、空気と燃料との混合物の加熱が起こる。

これが、触媒の機能する温度を上昇させる。

次いで、このように加熱された混合物に、第３の燃料入口ダクト７４から来る燃料が添加される。

燃焼反応は、主に燃焼チャンバ１１の第２のエリア１３で起こり、第３のエリア１４で完了する。

第１の一連の温度センサ６０は、触媒４０の入口温度を検出し、第２の一連の温度センサ６１は、触媒４０の中間温度を検出し、第３の一連の温度センサ６２は、触媒４０の出口温度を検出する。

特定の環境条件下で触媒４０の適正な機能を可能にするために到達すべき理想出口温度値は、それぞれ、目標入口温度と目標中間温度との関数である断熱温度（Ｔ_{断熱＿触媒中間}（Ｔad_catinter））、ならびに目標入口温度と目標出口温度との関数である断熱温度（Ｔ_{断熱＿触媒出口}（Ｔad_catout））と呼ばれる。

電子処理ユニット３０は、圧縮機５０の出口での圧縮空気圧力、触媒の目標中間温度、および触媒の目標入口温度を使用して、Ｔad_catinterを計算する。

次いで、電子処理ユニット３０は、圧縮機５０の出口での圧縮空気圧力、触媒４０の目標入口温度、および触媒４０の目標出口温度を使用して、Ｔad_catoutを計算する。

Ｔad_catoutおよびＴad_catinterは、触媒入口温度について、中間の触媒相の温度、および触媒出口温度、すなわち目標と呼ばれる予め確定された値を固定することによって計算される。

続いて、電子ユニット３０は、Ｔad_catinter値とＴad_catout値とを比較して、２つの最小値を選択する。

この最小値が目標断熱温度である。

次いで、電子処理ユニット３０は、この目標断熱温度に基づいて、該目標断熱温度に到達するための第２の空気分配弁２１の調節を決定する。

第２の空気分配弁２１の位置は、電子処理ユニット３０によって、圧縮機５０に吸気された空気の流量を計算することによって評価される。

電子データ処理ユニット３０は、データベースに記憶された圧縮機５０マップを使用して、燃焼チャンバ１１に流入する空気流を計算する。

これらのマップは、測定されるタービンの様々な速度で、かつ圧縮機５０の口部での静翼の様々な位置において、圧縮機５０の空気流と圧縮機５０の圧縮比の測定値とを比較するものである。

燃料の流量がわかっているので、制御／調節システムは、次いで、以上で定義した断熱温度に到達するのに必要な燃焼チャンバへの空気流量を得るために、どれだけの流れを第２の調節弁２１に分配しなければならないか計算する。

触媒の適正な機能が保証された温度範囲内での触媒の機能は、第１の燃焼エリア１２と第２の燃焼エリア１３との間の第１の燃料分配弁２０を調節することによって得られる。調節システムによって、触媒４０の温度が該触媒の適正な機能が確保される温度範囲内にとどまることを保証するような値に、該触媒の入口温度が確実に到達するようになる。

電子ユニット３０は、初めに、圧縮機５０によって供給される圧力および温度の測定値、タービン８０の出口での圧力および温度測定値、燃料流量、ならびに大気温度値に基づいて、断熱温度推定値を計算する。

こうして計算される断熱温度、圧縮機５０によって供給される圧力の測定値、および到達すべき触媒４０の中間相での温度値に基づいて、電子ユニット３０は、触媒４０の中間相での所望の温度を保証する、該触媒の入口温度を計算する。

同じように、計算された断熱温度、圧縮機５０によって供給される圧力、および触媒の所望の出口温度に関して、電子ユニット３０は、到達すべき温度に等しい触媒４０の出口温度を保証する、該触媒４０の入口温度を計算する。

制御システムは、計算された触媒４０の入口温度と、同じ触媒４０の最高許容値とを比較し、次いで、すべての温度の最小値を選択する。

さらに、制御システムは、こうして得られた温度と、燃焼チャンバの第１のエリア１２での燃焼を可能にする最小値とを比較し、次いで、２つのうち高い方の値を選ぶ。

こうして得られる触媒４０の入口温度は、触媒の温度がその適正な機能を保証する範囲内にとどまるようにするために燃料分配弁の調節によって到達しなければならない温度である。

このように、触媒の入口温度を予め確定された値に維持し、同時に触媒４０の出口および中間温度をその耐用年数を延長させるように制限することによって、環境条件が変動する状況で、常に、燃焼ユニット（１０）のＣＯおよびＮＯｘ排出を最小限に低減することが可能である。

したがって、本発明による燃焼ユニットの制御／調節システムが、以上で指定した目的を達成することがわかる。

このように考え出された本発明の燃焼ユニットの制御／調節システムには、多数の修正および変形を適用でき、それらすべてが同一の発明概念に包含される。

本発明による燃焼装置の制御／調節システムの略図である。

Claims

燃焼チャンバ（１１）と触媒（４０）とを含むタイプの燃焼ユニット（１０）の制御／調節システムであって、
前記燃焼ユニット（１０）の機能状態に特徴付けられる機能パラメータに比例した信号の収集デバイスと、
前記信号収集デバイスに接続され該信号収集デバイスから信号を受け取る電子データ処理ユニット（３０）と、
前記電子データ処理ユニット（３０）に関連付けられた制御／調節プログラムと、
第１の燃料分配弁（２０）と、
第２の空気分配弁（２１）と、
前記電子データ処理ユニット（３０）に関連付けられたデータベースとを含んでおり、
前記電子データ処理ユニット（３０）が、前記信号収集デバイスから信号を受け取って処理し、前記燃焼ユニット（１０）のＣＯおよびＮＯｘの汚染排出を最小限に抑えるように前記第１の弁（２０）および前記第２の弁（２１）の開放を調節するシステム。
前記信号収集デバイスが、前記燃焼ユニット（１０）の機能状態に特徴付けられる機能パラメータに比例した少なくとも１つの信号を検出可能な少なくとも１つのセンサを含むことを特徴とする、請求項１記載の燃焼ユニット（１０）の制御／調節システム。
前記信号収集デバイスが、前記燃焼ユニット（１０）の機能状態に特徴付けられるパラメータに比例した信号を検出するのに適した一連のセンサを含むことを特徴とする、請求項１又は２記載の燃焼ユニット（１０）の制御／調節システム。
前記一連のセンサが、複数の温度センサの１セットを含むことを特徴とする、請求項３記載の燃焼ユニット（１０）の制御／調節システム。
前記一連の温度センサが、複数の温度センサの第１のセット（６０）と、複数の温度センサの第２のセット（６１）と、複数の温度センサの第３のセット（６２）とを含むことを特徴とする、請求項４記載の燃焼ユニット（１０）の制御／調節システム。
前記一連のセンサが、圧力センサ（６３）および圧力センサ（６５）を含むことを特徴とする、請求項３記載の燃焼ユニット（１０）の制御／調節システム。
前記一連の温度センサが、温度センサ（６４）および温度センサ（６６）を含むことを特徴とする、請求項４記載の燃焼ユニット（１０）の制御／調節システム。
前記燃焼チャンバ（１１）が、第１のエリア（１２）と、前記触媒（４０）が格納される第２のエリア（１３）と、第３のエリア（１４）と、第１の燃料入口ダクト（７１）と、圧縮機５０から来る空気の第２の入口ダクト（７２）と、排気ガスの排出ダクト（７３）とを含むことを特徴とする、前記請求項のいずれか１項記載の燃焼ユニット（１０）の制御／調節システム。
前記燃焼チャンバ（１１）が、第３の燃料入口ダクト（７４）と、空気分配ダクト（７５）と、主燃料ダクト（７０）とを含むことを特徴とする、請求項８記載の燃焼ユニット（１０）の制御／調節システム。
前記主燃料ダクト（７０）が、前記第１の弁（２０）に連結されており、
前記第１の弁（２０）が、前記第１の燃料入口ダクト（７１）および前記第３の燃料入口ダクト（７４）に連結されていて、燃料を前記燃焼チャンバ（１１）の前記第１のエリア（１２）と前記第２のエリア（１３）とに分配することを特徴とする、請求項９記載の燃焼ユニット（１０）の制御／調節システム。
前記第１の一連の温度センサ（６０）が、前記第１のエリア（１２）と前記第２のエリア（１３）との間で前記触媒（４０）に近接して位置することを特徴とする、請求項５又は８記載の燃焼ユニット（１０）の制御／調節システム。
前記第２の一連の温度センサ（６１）が、前記燃焼チャンバ（１１）の前記第２のエリア（１３）と前記第３のエリア（１４）との間で前記触媒（４０）に近接して位置することを特徴とする、請求項５又は８記載の燃焼ユニット（１０）の制御／調節システム。
前記第３の一連の温度センサ（６２）が、前記燃焼チャンバ（１１）の前記第３のエリア（１４）に位置することを特徴とする、請求項５又は８記載の燃焼ユニット（１０）の制御／調節システム。
前記燃焼ユニット（１０）が、前記第２の圧縮空気入口ダクト（７２）および前記排出ダクト（７３）をそれぞれ用いて、圧縮機（５０）およびタービン（８０）に連結されることを特徴とする、請求項８記載の燃焼ユニット（１０）の制御／調節システム。