JPH06173725A - ガス消費装置へのガス流の供給用の制御システム - Google Patents

ガス消費装置へのガス流の供給用の制御システム

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JPH06173725A
JPH06173725A JP5206931A JP20693193A JPH06173725A JP H06173725 A JPH06173725 A JP H06173725A JP 5206931 A JP5206931 A JP 5206931A JP 20693193 A JP20693193 A JP 20693193A JP H06173725 A JPH06173725 A JP H06173725A
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Antonius Everardus Theodorus Joseph Ramaker
アントニウス・エベラルドウス・テオドルス・ヨゼフ・ラマケル
Leendert Wolters
レーンデルト・ウオルテルス
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Deltec Fuel Systems BV
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DERUTEKU FUEL SYST BV
Deltec Fuel Systems BV
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガス流の供給を迅速に且つ正確に制御する。 【構成】 制御ユニットは数学モジュール、弁位置を調
整するための制御弁に関係するモデルを備え、ガス制御
弁はガスの諸変数及び弁位置用の組込み式センサーを有
し、制御システムは制御ユニットに供給される所望のガ
ス流量信号に比例して制御弁を調整する。数学モジュー
ルは流量サブモジュール、機械サブモジュール及び弁位
置サブモジュールを備え、流量サブモジュールは、その
入口において、所望のガス流量信号及び弁センサーで作
られたガスの諸変数を受け取り、その出口において、弁
の貫流面積に関する信号を機械サブモジュールに供給す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ガス消費装置にガス流
を供給するための制御システムであって、ガス消費装置
に接続しうるガス供給管を備え、かつ電気制御式ガス制
御弁及び電子式制御ユニットを有する制御システムに関
する。かかる制御システムは、ＥＰ−Ａ−０ ０７７２
８６に開示される。
【０００２】
【従来技術及びその課題】この公知システムの第１の実
施例においては、所望のガス流量を表す信号、及び単位
時間当たり流量又は処理量のセンサーの信号に基づいて
制御弁を調整する電子式制御調整が使用される。このセ
ンサーの出力信号は、電子式制御システムに較正量とし
てフィードバックされ制御弁を調整する。かかる単位時
間当たり処理量センサーが不正確でありかつ信頼できな
いことを別としても、このシステムは速い応答時間が望
まれる場合にはあまりにも遅すぎる。この公知のシステ
ムの第２の実施例においては、合成入力信号に基づき制
御弁のモーターを作動させる弁位置決定用の単純なルー
プが使用される。この合成入力信号は、本質的に、入口
ガス圧力とガスエンジンの回転数との組合せを含む。較
正は、大気圧、空気温度及びガス温度のような僅かな数
の重要な変数の手段により行われる。この最後の実施例
は、扱い易くかつ第１の実施例より迅速に作動するが精
度が不十分である。従って、本発明の目的は上述の問題
点を無くすことである。
【０００３】更に、かかる制御システム、即ちガス燃焼
エンジン用のガス噴射システムにおいては、有害物質の
排出をできるだけ少なくするために、シリンダー内のガ
ス／空気混合物の均一性が非常に重要である。これに関
する要求は、負荷及び回転数の変動に迅速に応答して非
常に正確にガスを計量することである。事実上、回転の
開始から最高回転数時の最大負荷までの変動中に、いか
なる所望曲線にも従いガス／空気比を極めて正確に調整
することが特に重要である。これは、ガスの入口圧力及
び温度の変化についても達成すべきである。公知のシス
テムはこれらの要求には適合しない。本発明の目的は後
者を満足させることでもある。
【０００４】
【課題を達成するための手段】このことは、本発明に従
い、前言において述べられた形式の制御システムにより
達成される。これにおいては、制御ユニットは、数学的
モジュール、弁位置を調整するための制御弁に関連した
モデルを備え、更にガス制御弁はガスの諸変数及び弁位
置用の組込み式センサーを有し、制御システムは制御ユ
ニットに供給される所望のガス流量信号に比例して制御
弁を調整する。
【０００５】述べられた数学的モジュールは、流量サブ
モジュール、機械サブモジュール及び弁位置サブモジュ
ールを備え、流量サブモジュールは、その入口におい
て、所望のガス流量信号及び弁センサーで作られたガス
の諸変数を受け取り、その出口において、弁の貫流面積
に関する信号を機械サブモジュールに供給し、更に機械
サブモジュールはその内部に処理される機械的な弁パラ
メーターを含み、その出力側において、弁位置センサー
で作られた位置信号を受け取る弁位置サブモジュールに
弁位置信号を供給する。
【０００６】述べられた所望のガス流量信号は、ガスエ
ンジンの管理システムのような主制御システムで作るこ
とができる。ガス制御弁に組込みのガスパラメーター用
の弁センサーは、ガスの入口圧力用のセンサー、ガスの
入口温度用のセンサー、及び弁の両側のガス圧力差のた
めのセンサーを備える。
【０００７】本発明によるこのシステムにより、ガスの
入口圧力及び温度を変えるように自動的に修正すること
ができる。このシステムは、消費装置の負荷が変動中で
あっても、またその消費装置が燃焼装置であるときにそ
の回転数の変動中であっても、極めて速い応答でこの修
正を実行する。これは、低い燃料消費量及び有害物質の
少ない排出に関しても重要なことである。
【０００８】本発明は図面を参照し例示の実施例に基づ
き更に詳細に説明されるであろう。
【０００９】
【実施例】図１は本発明による制御システムの非常に線
図的な表現を示し、これにおいては、Ｑｇｎは所望のガ
ス流量を表す信号を示し、２はモデルによる制御弁に関
する数学的モジュールを示し、３は制御弁と組み合わせ
られたアクチュエーターを示し、そして４は制御弁を線
図的に示す。出口側におけるガス流量がＱｈ（通常は
Ｑ）になるように弁の手段で調整されたガス流量が弁４
の入口側に供給される。ガスの入口圧力Ｐ１、ガスの入
口温度Ｔ１、弁の両側のガス圧力差ΔＰ、及び弁の位置
Ｓｈのような制御弁において測定された多くのガスの諸
変数がモジュール２に供給される。標準ガス密度Ｇｎ、
標準圧力Ｐｎ、標準温度Ｔｎ、ガス抵抗係数λ及び機械
的弁定数ｂとｋのようなガスの多くのパラメーターもモ
ジュール２に供給される。モジュールの出力側を経て、
ある制御信号が電気機械式アクチュエーター３に供給さ
れ、最後に、このアクチュエーターが制御弁４のスライ
ドに力Ｆを加える。
【００１０】制御弁の出口におけるガス流量は、上述の
数学的モデル関連のモジュールの支援により、入力側に
供給される所望のガス流量信号に比例して調整可能であ
る。前記モジュールでは、ガス流量及び弁の静的及び動
的な挙動を記述する正確な数学的モデルが与えられる。
このモデルは、製作後、測定装置で別々に決定された多
数のパラメーターの支援を有する物理的モデルにのみ適
合させられる。かかるモジュールにより、ガス流量は、
ガスの入口圧力及び温度の変動を自動的に補正し、制御
範囲、例えば分解能０.０２ｎｍ3／ｈで０−７５ｎｍ3
／ｈの範囲で調整可能である。これに関連して、制御弁
は３種の機能を持っている。主機能は、説明された流出
ガス流量の制御である。別の機能は、ガスエンジンのよ
うなガス消費装置が、その装置の停止中に少しもガスを
使用しないならば、完全に又は１００％遮断することで
ある。更に別の機能は、ガスエンジンの減速中における
ガス流の遮断である。この状況下では、ガス流の最小の
漏洩は許容される。
【００１１】図２は本発明による制御システムをより詳
細に示す。モジュール２は、流量サブモジュール２．
１、機械サブモジュール２．２及び位置サブモジュール
２．３を備える。所望の標準ガス流量Ｑｇｎを表す信号
がサブモジュール２．１に供給される。この信号は、ガ
ス消費装置と組み合わせられた適宜の主制御システムで
作ることができる。ガスエンジンのような燃焼装置とし
て機能する消費装置が使用される場合は、前記信号はエ
ンジン管理システムで発生の所望ガス流量を表す信号で
ある。サブモジュール２．１には流量モデルが組み込ま
れ、これによりガス制御弁の貫流面積Ａが、ある関数に
従って決定される。
【００１２】全く低いガス圧力及び流速（いわゆるノン
ソニック）を含んだ応用に対しては、始点はガス流の断
熱時挙動であり、かつガスの速度及び圧力差が小さいこ
とであり、その結果、液体に対するベルヌーイのエネル
ギー保存則をガスにも適用することができる。即ち、Ｐ
１＋１／２・ρ・ｖ1 2＋ρ・ｇ・ｈ1＝Ｐ２＋１／２・
ρｖ2 2＋ρ・ｇ・ｈ2であり、ここに、Ｐ１及びＰ２は
静圧力、ρはガスの密度、ｖはガス速度、ｇは重力の加
速度、そしてｈは高さである。プロセスは一定の高さで
進行するためｈ1＝ｈ2である。従って、この項を無くす
ことができる。入口側から出口側への貫通流は、摩擦の
形のエネルギー損失により達成されるので、上述の式は
拡張しなければならない。このエネルギー損失は Δｐ
＝ζ・１／２・ρ・ｖ2 により決定することができ、こ
こに、ΔＰは静的及び動的な圧力差の和であり、ζは抵
抗係数である。
【００１３】弁の貫流面積をＡとし ｖ＝Ｑ／Ａ と置換
して計算すると、ガス流量は次式で示される。Ｑｇｎ＝
Ａ・√（２ΔＰ／ρζ）。広い温度範囲に亙り、ガスの
密度ρはρｎ・（Ｐ１・Ｔｎ／Ｐｎ・Ｔ１） で与えら
れ、ここに、ρｎは特性質量（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｍａ
ｓｓ）、Ｔｎは標準温度、そしてＰｎは標準圧力であ
る。置換するとＡは次のようになる。
【００１４】
【数１】 Ａ＝Ｑｇｎ・√（Ｐｎ・Ｔｉ／Ｐ１・Ｔｎ）・√（ρｎ・ζ／２ΔＰ） 例えば、ベルヌーイの法則がもはや真でないような高い
ガス圧力及び流速（いわゆる音速）を含んだ応用に対し
ては、別の法則が適用され、又はＡについての別の関係
式が誘導される。
【００１５】機械サブモジュール２．２は、アクチュエ
ーター及びセンサーを有する弁の数学的な機械モデルを
含む。制御弁の貫流ポートは、全範囲に亙って一定の相
対誤差を得るように指数関数状であるので、弁スライド
の貫流開口は式Ａ（ｓ）＝ｋ・ｅbsに従って弁位置Ｓの
関数となる。このときは、Ｓ＝（１／ｂ）・ｌｎ（Ａ／
ｋ）であり、ここに、k及びbは弁の形状に依存する機械
定数である。
【００１６】モジュール２.２は、弁位置を表す信号Ｓ
を位置サブモジュール２．３に供給する。このモジュー
ルは、弁スライドの位置と比例する弁位置センサーから
の信号Ｓｈも受け、また、その出力側において、アクチ
ュエーターに制御信号を供給する。
【００１７】弁は、中央のガス入口と横方向のガス出口
とを持つ指数関数状の流路輪郭を有する円筒状の中空ス
ライド弁を備える。このガス制御弁には、永久磁石の磁
界内に巻線コイルを有する電磁式アクチュエーターが組
み入れられる。弁スライドを移動させるこの電子機械式
アクチュエーターの位置調整は、２次の機械的な質量−
バネシステムである。アクチュエーターが力Ｆを発生す
るように、コイルは電流又は電圧の信号で制御されねば
ならない。後者について、電流制御のためにはＦcoil＝
定数×Ｉとすることができる。
【００１８】図３に、ガス制御弁の例として実施例が与
えられる。この図において、１１は弁ハウジングを、１
２は輪郭の定められたスリーブを、１３は弁スライド、
１４は巻線コイルそして１４．１はそのコネクター、１
５は永久磁石、１６はバネ、１７は多数の磁気導体、１
８は磁石ケーシング、１９はコイル巻枠、２０は位置セ
ンサーそして２０．１はそのコネクター、２１はガス入
口圧力Ｐ１用のセンサー、２２はガス入口温度Ｔ１用の
センサー、更に２３はガス差圧ΔＰ用のセンサーを示
す。
【００１９】説明されたように、前述のガス制御弁に組
み込まれたアクチュエーターは巻線コイル１４と永久磁
石１５とを備える。このコイルは、磁束密度が非常に高
い狭い空隙２４内に部分的に入る。この高磁束密度は、
鉄の導体１７の支援により磁石の磁界を案内しかつこれ
を空隙内に集中させることにより得られる。コイルが電
流で励磁されると、前記コイルは、電流の大きさ、磁束
密度及び磁界内に置かれたコイルの長さに比例した（ロ
ーレンツ）力を出すであろう。巻線コイルは薄いプラス
チック巻枠１９の周りに巻かれ、この巻枠は弁スライド
１３に取り付けられ、これに運動を伝える。この状況下
で、前記弁スライドは両方の貫流ポート上で摺動する。
電流の方向が反転すると、力の方向もまた逆転するであ
ろう。コイルが図面において磁石に向かって内向きに動
くとき、この空間内にあるガスはコイルの体積用の空間
を作らねばならないであろう。この方法で作られたガス
の流れは、巻線コイルを冷却するために部分的にこれを
使用することが可能である。左側において入ってくるガ
スの流れは、互いに反対側に置かれかつ図面の平面に平
行な２個の貫流ポート（図示せず）を経て、円周方向に
置かれた空間２５内に流入し、出口ポート２６を経て外
部に通過する。この２個の貫流ポートは、説明されたよ
うに、破線２７で示されたような指数関数状の流路輪郭
を持つ。
【００２０】線図的に示されたガス差圧センサー２３が
弁の両側の圧力差を測定する。このセンサーの応答時間
は、弁スライドの全行程時間より短くなければならな
い。これは３０ｍｓより大きくはない。線図的に示され
た温度センサー２２がガスの絶対温度を測定し、かつ線
図的に示された圧力センサーがガスの絶対圧力を測定す
る。位置センサー２０は、更には示されない方法で弁ス
ライドの位置を正確に測定し、これを電気信号Ｓhに変
換する。この出力信号は弁位置に比例しなければならな
い。
【００２１】図４は、ガスエンジンのような燃焼装置の
ガス／空気混合物に対する本発明によるガス制御弁の応
用例を示す。図４においては、図１ないし３のものと同
じ構成要素は同じ記号、番号で示される。
【００２２】３０はベンチュリ混合管のようなガス／空
気混合装置を示す。空気濾過器３１を経て供給される空
気がその入口側に供給される。混合装置３０の出口側か
ら、ある量のガス／空気混合物が、スロットル又は混合
弁３２を経てガスエンジン３３に供給される。
【００２３】ガスエンジンから、例えば回転数ｎ、混合
気の入口絶対温度（ＭＡＴ)，混合気の入口絶対圧力
（ＭＡＰ)、点火データのような多数の変数が上述のエ
ンジンの主制御システム又は管理システム３４に供給さ
れる。かかるシステムは、所望のガス流量を表す信号Ｑ
ｇｎをエンジンに供給するように、エンジンの任意の負
荷及び回転数に対してあるガス／空気比を決定すること
ができる。次いで、例えば０から５ｖの間を変動するこ
の信号Ｑｇｎは本発明によるガス制御システム内で、例
えば０から７５ｎｍ3／ｈのガス流量に、比例して変換
されるであろう。
【００２４】管理システムの上述のいわゆる開ループ制
御又はフォワードコントロールもまた閉ループ設計内で
作動できる。換言すれば、ガス制御システムへの所望の
ガス流量信号は、測定されたガス／空気比がエンジンマ
ップのガス／空気比と等しくなるように修正されるであ
ろう。前記エンジンマップはエンジンの特性線図であ
り、特定のエンジン回転数及び特定のエンジン負荷にお
ける（ラムダとして説明された）所望のガス／空気比を
示す。エンジンの外部通路３５内の特別のセンサー、い
わゆるラムダセンサーの支援により、そのときのガス／
空気比が検出される。開ループ制御は、例えばラムダセ
ンサーを使用しない場合、或いはラムダセンサーが高温
となり又は不完全となったときに使用される。
【００２５】本発明の実施態様は次の通りである。
【００２６】１．ガス消費装置にガス流を供給するため
の制御システムであって、この装置に連結できるガス供
給管を備え、かつ電気制御式ガス制御弁、及び電子制御
ユニットを有する制御システムにして、この制御ユニッ
トは数学的モジュール、弁位置を調整するための制御弁
に関係するモデルを備え、更にガス制御弁はガスの諸変
数及び弁位置用の組込み式センサーを有し、制御システ
ムは制御ユニットに供給される所望のガス流量信号に比
例して制御弁を調整することを特徴とする制御システ
ム。
【００２７】２．数学的モジュールは流量サブモジュー
ル、機械サブモジュール及び弁位置サブモジュールを備
え、流量サブモジュールはその入口において所望のガス
流量信号及び弁センサーで作られたガスの諸変数を受け
取り、その出口において弁の貫流面積に関する信号を機
械サブモジュールに供給し、更に機械サブモジュールは
その内部に処理される機械的な弁パラメーターを含み、
その出力側において、弁位置センサーで作られた位置信
号を受け取る弁位置サブモジュールに弁位置信号を供給
する実施態様１による制御システム。
【００２８】３．ガスの諸変数用の弁センサーが、ガス
の入口圧力用のセンサー、ガスの入口温度用のセンサー
及び弁の両側のガスの圧力差用のセンサーを含む実施態
様２による制御システム。
【００２９】４．ガス制御弁は、中央のガス供給口と横
方向のガス出口とを有しかつ指数関数状の流路輪郭を持
った円筒状の中空スライドとして設計され、更に永久磁
石の磁界内で弁スライド上に巻かれた巻線コイルを有す
る電磁式アクチュエーターが設けられる先行実施態様の
一つによる制御システム。
【００３０】５．ガス流が全く低圧及び低速で使用さ
れ、制御弁の貫流面積Ａが流量サブモジュール内で次式
により決定される先行実施態様の一つによる制御システ
ム。
【００３１】
【数２】 Ａ＝Ｑｇｎ・√（Ｐｎ・Ｔｉ／Ｐ１・Ｔｎ）・√（ρｎ・ζ／２ΔＰ） ここに、 Ｑｇｎ＝ 所望のガス流量 Ｐ１ ＝ ガスの入口圧力 Ｔ１ ＝ ガスの入口温度 ΔＴ ＝ 弁の両側のガスの圧力差 Ｐｎ ＝ ガスの標準圧力 Ｔｎ ＝ ガスの標準温度 ρｎ ＝ 特性質量 ζ ＝ ガス抵抗係数 ６．弁位置Ｓが機械サブモジュール内で式 Ｓ＝（１／
ｂ）・ｌｎ（Ａ／ｋ）、ただし、 ｂ ＝ 機械パラメーター ｋ ＝ 機械パラメーター で決定される実施態様５による制御システム。
【００３２】７．主制御システムの設けられたガス燃焼
装置に使用され、前述の主制御システムにより所望のガ
ス流量信号が供給される先行実施態様の一つによる制御
システム。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による制御システムの線図式表現を示
す。
【図２】図１の表現を説明するブロック図を示す。
【図３】制御弁の１実施例を示す。
【図４】ガスエンジンのような燃焼装置における図２の
制御システムの応用を示す。
【符号の説明】
１１ ハウジング １２ スリーブ １３ 弁スライド １４ 巻線コイル １５ 永久磁石 １６ バネ ２０ 位置センサー

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガス消費装置にガス流を供給するための
    制御システムであって、連結できるガス供給管を備え、
    かつ電気制御式ガス制御弁、及び電子制御ユニットを有
    する制御システムにおいて、この制御ユニットは数学的
    モジュール、弁位置を調整するための制御弁に関係する
    モデルを備え、更にガス制御弁はガスの諸変数及び弁位
    置用の組込み式センサーを有し、制御システムは制御ユ
    ニットに供給される所望のガス流量信号に比例して制御
    弁を調整することを特徴とする制御システム。
JP5206931A 1992-07-31 1993-07-30 ガス消費装置へのガス流の供給用の制御システム Pending JPH06173725A (ja)

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