NL9201391A - Regelstelsel voor het toevoeren van een gasstroom aan een gasgebruikstoestel. - Google Patents

Description

Regelstelsel voor hst toevoeren van een gasstroom aan een gasgebruiks- toestel.

De uitvinding heeft betrekking op een regelstelsel voor het toevoeren van een gasstroom aan een gasgebruikstoestel, omvattende een op het toestel aansluitbare gastoevoerleiding met een elektrisch gestuurde gas-regelklep, en een elektronische stuureenheid. Een dergelijk regelstelsel is bekend uit EP-A-0077286.

Bij een eerste uitvoeringsvorm van dit bekende stelsel wordt gebruik gemaakt van een elektronische stuurregeling die op basis van een de gewenste gasstroom representerend signaal de regelklep instelt, en van een stroming- of debietsensor waarvan het uitgangssignaal als correctie terug wordt gekopppeld naar de elektronische regeling die vervolgens de regelklep naregelt. Behalve dat dergelijke debietsensoren onnauwkeurig en onbetrouwbaar zijn, is dit stelsel veel te traag wanneer snelle respon-sietijden gewenst zijn. Bij een tweede uitvoeringsvorm van dit bekende stelsel wordt gebruik gemaakt van een eenvoudige kleppositioneerlus die op basis van een samengesteld ingangssignaal de motor bedient van de regelklep. Het samengestelde ingangssignaal bestaat in wezen uit een combinatie van inlaatgasdruk en toerental van een gasmotor. Hierop kunnen door middel van enkel minder belangrijke grootheden, zoals atmosferische druk, luchttemperatuur en gastemperatuur, correcties worden uitgeoefend. Deze laatste uitvoeringsvorm is minder omslachtig en werkt ook sneller dan de eerste uitvoeringsvorm maar is onvoldoende nauwkeurig. De uitvinding beoogt nu bovengenoemde problemen te ondervangen.

Verder is bij een toepassing van dergelijke regelstelsels, n.l. bij gasinjectiesystemen voor gasverbrandingsmotoren, de homogeniteit van het gas-luchtmengsel in de cilinders van groot belang voor het realiseren van een zo laag mogelijke emissie van schadelijke stoffen. Een daarmee samenhangende eis is een zeer nauwkeurige gasdosering met snelle respons op veranderingen in belasting en toerental. Het is in de praktijk van uitzonderlijk belang om de gas-luchtverhouding bij verandering van starttoe-rental tot vollast bij maximum toerental uiterst nauwkeurig volgens elke gewenste kromme te regelen. Dit dient eveneens te worden gerealiseerd bij wisselende gasinlaatdrukken en -temperaturen. De bekende stelsels voldoen niet aan deze eisen. De uitvinding beoogt ook hieraan tegemoet te komen.

Dit wordt met een regelstelsel van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding bereikt doordat de stuureenheid omvat een, modelmatig op de regelklep betrokken mathematische module voor instelling van de kleppositie; en doordat de gasregelklep ingebouwde sensoren heeft voor gasgrootheden en kleppositie, waarbij het regelstelsel de regelklep instelt lineair evenredig met een aan de stuureenheid toe te voeren gewens-te-gasstroomsignaal.

De genoemde mathematische module omvat een stroming-submodule, een mechanische-submodule en een kleppositie-submodule, waarin de stroming-submodule aan zijn ingangen het gewenste-gasstroomsignaal en van de klep-sensoren afkomstige gasgrootheden ontvangt, en aan zijn uitgang een signaal betreffende het doors troomoppervlak van de klep af geeft aan de mechanische-submodule, waarin de mechanische-submodule daarin verwerkte mechanische klepparameters bevat en aan zijn uitgang een kleppositiesig-naal afgeeft aan de kleppositie-submodule, die een van de kleppositiesen-sor afkomstig positiesignaal ontvangt.

Het genoemde gewenste-gasstroomsignaal kan afkomstig zijn van een hoofdregelstelsel, zoals het managementstelsel van een gasmotor. De in de gasregelklep ingebouwde klepsensoren voor gasparameters omvatten een sensor voor de gasinlaatdruk, een sensor voor de gasinlaattemperatuur, en een sensor voor het gasdrukverschil over de klep.

Met dit stelsel volgens de uitvinding is het mogelijk automatisch voor wisselende gasinlaatdrukken en temperaturen te corrigeren. Het stelsel voert deze correctie uit in een uiterst snelle responsie tevens bij veranderingen in belasting van het gebruikstoestel, en indien dit een verbrandingsinrichting is, bij veranderingen in het toerental daarvan. Dit is van belang voor wat betreft laag brandstofverbruik en lage emissie van schadelijke stoffen,

De uitvinding zal aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin: figuur 1 een schematische weergave van het regelstelsel volgens de uitvinding toont; figuur 2 een blokschema ter toelichting van de weergave van fig. 1 toont; figuur 3 een uitvoeringsvorm van de regelklep toont; en figuur k een toepassing toont van het regelstelsel van fig. 2 bij een verbrandingsinrichting, zoals een gasmotor.

Fig. 1 geeft een zeer schematische weergave van het regelstelsel volgens de uitvinding, waarin met Qgn een de gewenste gasstroom represen terend signaal, met 2 een modelmatig op de regelklep betrokken mathematische module, met 3 een bij de regelklep behorende actuator en met 4 schematisch de regelklep is aangegeven. Aan de inlaatzijde van de klep 4 wordt een gasstroom toegevoerd die middels de klep wordt geregeld tot een gasstroom Qh (Q heersend) aan de uitlaatzijde. Aan de module 2 worden een aantal bij de regelklep gemeten gasgrootheden toegevoerd, zoals de gasin-laatdruk PI, de gasinlaattemperatuur Tl, de gasverschildruk over de klep ΔΡ, en de kleppositie Sh. Eveneens worden aan de module 2 een aantal gasparameters toegevoerd, zoals normaalgasdichtheid Gn, normaaldruk Pn, normaaltemperatuur Tn, gasweerstandscoëfficient λ, en mechanische klep-constanten b en k. Via de uitgang van de module wordt een bepaald stuursignaal toegevoerd aan de elektromechanische actuator 3» die uiteindelijk een kracht F uitoefent op de schuif van de regelklep 4.

Met behulp van bovengenoemde mathematische modelmatige module kan lineair evenredig met het aan de ingang toegevoerde gewenste-gasstroom-signaal de gasstroom in de uitlaat van de regelklep worden ingesteld. In deze module is een nauwkeurig mathematisch model geïmplementeerd dat het statische en dynamische gedrag beschrijft van de gasstroom en de klep. Het model wordt na produktie eenmalig op het fysische model aangepast met behulp van een aantal parameters die afzonderlijk in een meetopstelling worden bepaald. Met een dergelijke module kunnen nu gasstromen in een regelbereik van b.v. 0-75 nm3/h met een resolutie van 0,02 nm3/h worden ingesteld met een automatische correctie van schommelingen in gasinlaat-druk en -temperatuur. De regelklep heeft hierbij een drietal functies. De hoofdfunctie is de genoemde regeling van de uitgaande gasstroom. Een verdere functie is de volledige of 100# afsluiting bij stilstand van het gebruikstoestel, zoals een gasmotor, wanneer deze geen gas gebruikt. Een verdere functie is de afsluiting van de gasstroom bij deceleratie van de gasmotor, Hierbij is een minimale lek van de gasstroom toelaatbaar.

In fig. 2 is in meer detail het regelstelsel volgens de uitvinding aangegeven. De module 2 bestaat uit een stroming-submodule 2.1. een me-chanisch-submodule 2.2 en een positie-submodule 2.3· Aan de submodule 2.1 wordt een de gewenste normaalgasstroom Qgn representerend signaal toegevoerd. Dit kan afkomstig zijn van elk bij het gasgebruikstoestel behorend hoofdregelstelsel. Bij toepassing van een als verbrandingsinrichting, zoals een gasmotor, fungerend gebruikstoestel is dit de gewenste gasstroom voorstellend signaal afkomstig van het motormanagementstelsel. In de submodule 2.1 is een stromingmodel opgenomen waarmede het doorstroom-oppervlak A van de gasregelklep wordt bepaald volgens een bepaalde func- tie.

Voor toepassingen met lagere gasdrukken en stromingssnelheden (z.g. non-sonic) wordt uitgegaan van een adiabatisch verloop van de gasstroom en van het feit dat de gasstroomsnelheid en de drukverschillen klein zijn waardoor de wet van behoud van energie van Bernoulli voor vloeistoffen ook op gassen kan worden toegepast: n.l.

PI + i.p.v·,2 + p.g.hx = P2 + J.pv,22 + p.g.h2. Hierbij zijn PI en P2 statische drukken, is p de gasdichtheid, is v de gassnelheid, is g de gravi-tatieversnelling en is h de hoogte. Daar het proces op constante hoogte verloopt, is h: = h2. Deze term vervalt derhalve. De genoemde vèrgelijking moet worden aangevuld daar de doorstroming van inlaatzijde naar uitlaat-zijde gepaard gaat met energieverlies in de vorm van wrijving. Dit energieverlies kan worden bepaald volgens ΔΡ = ζ.^.ρ.ν2, waarbij ΔΡ = statisch plus dynamisch drukverschil en ζ = weerstandscoëfficient.

Na substitutie van v = Q/A, waarin A het doorstroomoppervlak van de klep is, en enig rekenwerk volgt een uitdrukking voor de gasstroom: Qgn = Α./(2ΔΡ/ρζ). Over een breed temperatuurgebied geldt voor de gasdichtheid p = pn. (Pl.Tn/Pn.Tl), waarin pn de soortelijke massa in nm is, Tn de normaaltemperatuur is en Pn de normaaldruk is. Na substitutie volgt hieruit voor Δ:

Voor toepassingen met hogere gasdrukken en stromïngsnelheden (z.g. sonic) waarbij b.v. de wet van Bernoulli niet opgaat, gelden andere wetmatigheden en is een andere betrekking voor A afleidbaar.

De mechanische-submodule 2.2 bevat een mathematisch mechanisch model van de klep met actuator en sensoren. Aangezien de doorstroompoor-ten van de regelklep een exponentieel verloop hebben, om over het gehele bereik een constante relatieve fout te verkrijgen, wordt de doorstroom-opening van de klepschuif een functie van de kleppositie S overeenkomstig de volgende vergelijking: A(s) = k.ebE. Hieruit volgt dan S=(l/b) .ln(A/k), waarbij k en b van de klepvorm afhankelijke mechanische constanten zijn.

Door de module 2.2 wordt een de kleppositie voorstellend signaal S toegevoerd aan de positie-submodule 2.3. Deze module, die eveneens een signaal Sh van de kleppositiesensor ontvangt dat evenredig is met de positie van de klepschuif, geeft aan zijn uitgang een stuursignaal af aan de actuator.

De klep omvat een cilindrisch, hol schuifventiel met centrale gas-inlaat en zijdelingse gasuitlaat met exponentieel stromingsprofiel. In deze gasregelklep is een elektromagnetische actuator opgenomen met een draadspoel in een permanent magnetisch veld. De positieregeling van deze elektromechanische actuator, die de slag van de klepschuif bedient, is een mechanisch massa-veerstelsel van de tweede orde. Om een door de actuator opgewekte kracht F te krijgen moet de spoel door een stroom- of spanningsignaal worden gestuurd. Bij stroomsturing kunnen we hiervoor schrijven Fspoel = constante.I.

In fig. 3 is een uitvoeringsvorm als voorbeeld gegeven van de gasregelklep. Hierin is met 11 het klephuis, met 12 de profielhuls, met 13 de klepschuif, met 14 de draadgewonden spoel en met 14.1 de aansluitingen daarvan, met 15 de permanente magneet, met 16 een veer, met 17 een aantal veldgeleiders, met 18 de magneetbehuizing, met 19 de spoelkoker, met 20 de positiesensor en met 20.1 de aansluitingen daarvan, met 21 de sensor voor de gasinlaatdruk PI, met 22 de sensor voor de gasinlaattemperatuur Tl en met 23 de sensor voor de gasverschildruk ΔΡ aangegeven.

De in bovengenoemde gasregelklep opgenomen actuator bestaat, zoals vermeld, uit een draadspoel 14 en een permanente magneet 15. De spoel bevindt zich voor een deel in een nauwe luchtspleet Zh waarin zeer hoge magnetische fluxdichtheid heerst. Dit wordt bereikt door het magnetische veld van de magneet met behulp van ijzergeleiders 17 te geleiden en in de luchtspleet te concentreren. Bij bekrachtiging van de spoel met een stroom zal deze spoel een (Lorentz) kracht ondervinden die lineair evenredig is met de grootte van de stroom, de fluxdichtheid en de lengte van de spoel die zich in het veld bevindt. De draadspoel is gewikkeld rond een dunne kunststofkoker 19 die aan de klepschuif 13 is bevestigd waarop de beweging wordt overgebracht. Deze klepschuif glijdt daarbij over beide doorstroompoorten. Door de stroomrichting om te draaien zal ook de richting van de kracht omdraaien. Wanneer de spoel naar binnen beweegt, naar de magneet op de tekening, zal het gas dat zich in die ruimte bevindt moeten plaatsmaken voor het volume van de spoel. De gasstroming die op deze wijze wordt veroorzaakt kan eventueel voor een deel dienen voor afkoeling van de draadspoel. De aan de linkerzijde intredende gasstroom stroomt via twee evenwijdig aan het vlak van de tekening tegenover elkaar gelegen doorstroompoorten (niet aangegeven) in een rondom gelegen ruimte 25 en treedt via de uitlaatpoort 26 naar buiten. De beide doorstroompoorten hebben, zoals vermeld, een exponentieel doorstroomprofiel dat met 27 gestippeld is aangegeven.

De schematisch aangegeven gasverschildruksensor 23 meet het drukverschil over de klep. De responsietijd van deze sensor moet kleiner zijn dan de volle-slagtijd van de klepschuif. Deze bedraagt maximaal 30 ms. De schematisch aangegeven temperatuursensor 22 meet de absolute temperatuur van het gas, en de schematisch aangegeven druksensor meet de absolute druk van het gas. De positiesensor 20 meet op verder niet-aangegeven wijze de positie van de klepschuif nauwkeurig en zet deze om in een elektrisch signaal Sh. Dit uitgangssignaal moet lineair evenredig zijn met de positie van de klepschuif.

In fig. 4 is een voorbeeld gegeven van een toepassing van de gasre-gelklep volgens de uitvinding voor een gas-luchtmenger van een verbran-dingsinrichting, zoals een gasmotor. In fig. 4 zijn dezelfde onderdelen als die uit de fig. 1 tot 3 met dezelfde verwijzingscijfers aangegeven.

Met 30 is een gas-luchtmenger aangegeven, zoals een venturi meng-buis. Aan de inlaatzijde daarvan wordt via een luchtfilter 31 toegevoerde lucht aangevoerd. Vanaf de uitlaatzijde van de menger 30 wordt een hoeveelheid gas-luchtmengsel via een smoor- of mengklep 32 toegevoerd aan de gasmotor 33·

Vanaf de gasmotor worden een aantal grootheden, zoals b.v. toerental n, absolute inlaatmengseltemperatuur (MAT), absolute inlaatmengsel-druk (MAP), ontstekinggegevens, toegevoerd aan het eerder genoemde hoofdregel of managementstelsel 3*t van de motor. Een dergelijk stelsel kan voor elke belasting en snelheid van de motor een bepaalde gas-luchtver-houding bepalen en hiervoor een de gewenste gasstroom voorstellend signaal Qgn afgeven. Dit signaal Qgn, b.v. variërend tussen 0 en 5 Volt, zal dan in het gasregelstelsel volgens de uitvinding recht evenredig worden omgezet in een gasstroom van b.v. 0 tot 73 nm3/h.

Bovengenoemde z.g. open-lusbesturing van het managementstelsel kan eveneens in gesloten-lusuitvoering werken. Dat wil zeggen, dat het ge-wenste-gasstroomsignaal aan het gasregelstelsel zal worden gecorrigeerd zodanig dat de gemeten gas-luchtverhouding gelijk is aan de gas-luchtver-houding van de motor-map. Deze motor-map is een kenveld van de motor en duidt de gewenste gas-luchtverhouding (uitgedrukt als lambda) aan bij een bepaalde motorsnelheid en een bepaalde motorbelasting. Met behulp van een speciale sensor, de z.g. lambda-sensor, in het uitlaatkanaal 35 van de motor wordt de heersende gas-luchtverhouding gedetecteerd. De open-lusbesturing wordt gebruikt b.v. wanneer geen lambda-sensor toegepast wordt, of wanneer de lambda- sensor aan het opwarmen is, of de lambda-sensor defect is.

Claims (7)

1. Regelstelsel voor het toevoeren van een gasstroom aan een gasge-bruikstoestel, omvattende een op het toestel aansluitbare gastoevoerlei-ding met een elektrisch gestuurde gasregelklep, en een elektronische stuureenheid, met het kenmerk, dat de stuureenheid omvat een, modelmatig op de regelklep betrokken mathematische module voor instelling van de kleppositie, en dat de gasregelklep ingebouwde sensoren heeft voor gasgrootheden en kleppositie, waarbij het regelstelsel de regelklep instelt lineair evenredig met een aan de stuureenheid toe te voeren gewenste-gasstroomsignaal.

2. Regelstelsel volgens conclusie 1, waarin de mathematische module omvat een stroming-submodule, een mechanische-submodule en een klepposi-tie-submodule, waarin de stroming-submodule aan zijn ingangen het gewens-te-gasstroomsignaal en van de klepsensoren afkomstige gasgrootheden ontvangt, en aan zijn uitgang een signaal betreffende het doorstroomopper-vlak van de klep afgeeft aan de mechanische-submodule, waarin de mechanische-submodule daarin verwerkte mechanische klepparameters bevat en aan zijn uitgang een kleppositiesignaal afgeeft aan de kleppositie-submodule, die een van de kleppositiesensor afkomstig positiesignaal ontvangt.

3- Regelstelsel volgens conclusie 2, waarin de klepsensoren voor de gasgrootheden omvatten een sensor voor de gasinlaatdruk, een sensor voor de gasinlaattemperatuur, en een sensor voor het gasdrukverschil over de klep.

4. Regelstelsel volgens een der voorgaande conclusies, waarin de gasregelklep is uitgevoerd als een cilindrische, holle schuifklep met centrale gasaanvoer en zijdelingse gasafvoer met exponentieel stromings-profiel en voorzien is van een elektromagnetische actuator met een op de klepschuif gewikkelde draadspoel in een permanent magnetisch veld.

5. Regelstelsel volgens een der voorgaande conclusies, toegepast bij lagere drukken en stromingssnelheden van de gasstroom, waarin in de stroming-submodule het doorstroomoppervlak A van de regelklep wordt bepaald volgens de functie

waarbij Qgn = gewenste gasstroom PI = inlaatdruk van het gas Tl = inlaattemperatuur van het gas ΔΡ = verschilgasdruk over de klep Pn = normaaldruk van het gas Tn = normaaltemperatuur van het gas pn = gasdichtheid ζ = gasweerstandscoëfficient

6. Regelstelsel volgens conclusie 5« waarin in de mechanische-sub-module de kleppositie S wordt bepaald volgens de functie: S = (1/b) ln (A/k) waarbij b = mechanische parameter k = mechanische parameter

7· Regelstelsel volgens een der voorgaande conclusies, toegepast voor een gasverbrandingsinrichting, welke voorzien is van een hoofdregel-stelsel, en waarin het gewenste-gasstroomsignaal afgegeven wordt door het genoemde hoofdregelstelsel.