CN102890513B - 气液流量数字微分控制*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气液流量数字微分控制***，包括安装在被控制设备上的若干调节阀，所述若干调节阀由按照通流面积的大小依次编号的1号、2号…n号调节阀组成，各调节阀的通流面积分别为S₁，S₂，…S_n，其中n为阀号，所有调节阀的通流总面积为2^j-1，其中j为阀的总数；每个调节阀的面积从大到小排列或从小到大排列时，阀的面积组合成为一个等比数列，每个调节阀的面积从大到小排列时的公比为1/2，每个调节阀的面积从小到大排列时的公比为2。在被控设备负荷从100%～0%自由调节中，利用各个阀的开启和关闭，使得在内燃机和燃气锅炉进液量调节过程中既能一次到位，而且能够做到精确调节，使内燃机始终工作在相适应的功率范围和较低的油耗区域工作。

Description

气液流量数字微分控制***

【技术领域】

本发明涉及流量控制技术领域，特别涉及一种气液流量数字微分控制***；可用于内燃机燃料（气体、液体）、热处理炉燃料、燃气（燃油）锅炉燃料、化工（气体、液体）配料的流量控制。

【背景技术】

目前内燃机绝大多数都是往复活塞式内燃机，往复活塞式内燃机最大功率与其排量大小直接相关。在往复式内燃机中，进液（气）量与活塞行程的上、下极限点的位置、活塞直径和活塞的行程等有关，而实际上活塞行程的上、下止点位置、活塞直径均是不能改变的，曲柄连杆机构是刚性的也不可调整的，因此这类往复活塞式传动机构的排气量都是固定的、不可变化的。但在内燃机设计过程中，一般都是按照最大的负载质量、最高允许的车速、最短时间的加速性能和最大的爬坡角度等极限指标来配置内燃机的功率。在此情况下，内燃机的最大功率虽然满足了机动车在上述极限负荷情况下的行驶要求,而实际上机动车在使用过程中，相当多的情形下并非都处于这种极限状态下,例如在市区内中低速行驶的机动车、空载或少载的行驶机动车等等。机动车在这种低负荷状态下行驶所需要的功率就比所配置的车用内燃机最大功率小的多，这就迫使内燃机只能在低转速、低负荷状态下工作。往复活塞式内燃机在低负荷和低转速工作状态所消耗的燃料和排气污染，要远远高于转速较高时和负荷较大的经济运行区域，这种内燃机的特性也是造成机动车用内燃机热效率低、污染严重的重要原因。因此，根据机动车实际使用过程中负荷的大小变化，适时调整内燃机的进液（气）量，从而调整内燃机的最大功率，使内燃机始终工作在相适应的功率范围和较低的油耗区域，才能从根本上消除内燃机在低负荷状态下燃油消耗高、污染严重的性能缺陷。

另外热处理炉、燃料燃气（燃油）、锅炉燃料、化工（气体、液体）配料流量液均是在最大功率下配置的，随着处理量和温度变化，其输入液（气）量也要适时调节，否则会造成燃烧不充分，效率下降等。

在传统的情况下，调节进液（气）量通常使用步进电机来改变阀门的开度，进而调节内燃机和燃气锅炉等的进液（气）量。步进电机调节，实际上是通过步进电机的运动来控制阀芯的旋转角度来实现的，而此种控制方法会形成两种致命的缺点，其一是阀芯旋转的角度无法精确控制；其二是调节过程中不能做到一步调节到位，要旋转到某一确定位置角度时，必须要经过相邻的角度才能到达，这就使内燃机和燃气锅炉不能始终工作在相适应的功率范围和较低的油耗区域。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种气液流量数字微分控制***，使得在内燃机和燃气锅炉进液量调节过程中既能一次到位，而且能够做到精确调节。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种气液流量数字微分控制***，包括安装在被控制设备上的若干调节阀，所述若干调节阀由按照通流面积的大小依次编号的1号、2号…n号调节阀组成，各调节阀的通流面积分别为S₁，S₂，…S_n，其中n为阀号，所有调节阀的通流总面积为2^j-1，其中j为阀的总数；每个调节阀的面积从大到小排列或从小到大排列时，阀的面积组合成为一个等比数列，每个调节阀的面积从大到小排列时的公比为1/2，每个调节阀的面积从小到大排列时的公比为2。

本发明进一步的改进在于：S₁，S₂，…S_n为按照面积从大到小排列时，S_n=2S_n+1，n=1,2,…j，最后一个n号调节阀的通流面积为1个面积单位，即S_n=1。

本发明进一步的改进在于：S₁，S₂，…S_n为按照面积从小到大排列时，1号调节阀的通流面积为1个面积单位，即S₁=1，S_n=1/2S_n+1，n=1,2,…j。

本发明进一步的改进在于：1号、2号…n号调节阀分别对应二进制码的控制信号的每一位，每个调节阀打开状态为“1”，关闭状态为“0”；将1号、2号…n号调节阀的开启面积转换为二进制数，如果存在小数，则将小数四舍五入取整，二进制数的位数应与调节阀的个数相等，如果不等，从二进制的首位开始补“0”，直到位数相等为止。

本发明进一步的改进在于：各调节阀的开启状态使用二进制数的“0”和“1”表达，“0”表示关闭状态，“1”表示开启状态。

本发明进一步的改进在于：最小一个调节阀的开启面积为1个面积单位。

本发明进一步的改进在于：面积单位由被控制设备的设计进液/气量与设计流速确定，其值为设计进液/气量与设计流速的比值。

本发明进一步的改进在于：各个阀完全是独立的，布置在被控制设备的任意位置。

本发明进一步的改进在于：所述1号、2号…n号调节阀布置在被控设备内燃机或燃气锅炉上。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：在内燃机和燃气锅炉等负荷从100%～0%自由调节中，利用各个阀的开启和关闭，使得在内燃机和燃气锅炉进液量调节过程中既能一次到位，而且能够做到精确调节，使内燃机始终工作在相适应的功率范围和较低的油耗区域工作，从根本上消除内燃机在低负荷状态下燃油消耗高、污染严重的性能缺陷，燃气锅炉也能始终工作在高效状态。

【附图说明】

图1为气液流量数字微分控制***原理示意图；

图2为本发明各阀的排列与通流面积特点示意图；

图3为设置为8个阀时，在满负荷情况下，各调节阀所处的开启状态；

图4为设置8个阀时，且调节到原流量50%时，各调节阀所处状态；

图5为设置8个阀时，且调节到原流量75%时，各调节阀所处状态；

图6为设置8个阀时，且调节到原流量45%时，各调节阀所处状态。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明提供的内燃机和燃气锅炉等的气液流量数字微分控制***完全可以克服传统步进电机调节的缺点，做到一次精确调节到位。该气液流量微分控制***的原理由图1表示，图中横坐标S为阀的通流面积，纵坐标Q为气液流量，在某一设定流量Q₀下，阀的总通流面积由三角形面积OAB表示，采用流量数字微分调节控制后的总通流面积由图中阴影面积表示，即三角形面积由若干个阀的矩形面积代替，如果需要非常准确的调节，则可以设置多个阀，其阴影面积就足够接近三角形面积。各阀完全是独立的，可以根据所需要的调节结构，任意布置在机构的任何位置。本发明气液流量微分控制***是由j个可控阀门（电磁阀等）组成，它们的面积分别为S₁,S₂,…S_n，其中n为阀号，设S_n=1个面积单位，阀的加权系数为2^n-1，所有阀的总通流总面积为2^j-1，其中j为阀的总数，每一个阀的面积等于该阀的加权系数与S_n的乘积，各阀的面积关系为S_i=2S_i+1,每个阀的面积从大到小排列，图2所示，阀的面积组合成为一个等比数列，其公比为1/2，它完全符合等比数列的性质,面积单位是根据内燃机和燃气锅炉设定工况下的通流总面积确定。设置每个阀打开状态为“1”，关闭状态为“0”，这样就由每个阀的开、关组成了2ⁿ个流量控制开度。流量控制开度正好为二进制数，二进制的“1”和“0”则就表达了每个阀“开”与“关”的状态。通过各阀的“开”与“关”直接做到一步调节到位。

实际使用中，先根据内燃机的设计功率和燃气锅炉的设计进液（气）量所对应的流量为阀孔的总面积，然后再根据所要求的调节流量，确定各阀的“开”和“关”状态，例如使用8个阀，阀的总数j=8，先根据公式计算各阀的加权系数2^n-1，然后再按照公式S_i=2^n-1·S_n计算出各阀的面积，如第一个阀的加权系数为2^n-1=2^8-1=128，第一只阀的面积为S₁=128·1=128，第二只阀的加权系数为2^n-1=2^7-1=64，第二只阀的面积为S₂=64·1=64，同理可以计算出其它各阀的加权系数和面积，按照各阀的面积大小进行排列，分别为128、64、32、16、8、4、2、1，最末一只阀的面积单位为1，则阀孔的开度为：N=总面积/（2^j-1），当进液（气）量为设计流量时（满负荷时），阀孔开度为100%，即：N=总面积/（2⁸-1）=100%,而在总负荷情况下，阀开启的总面积为：总面积＝N×(2⁸-1)=100%×255=255，将阀的开启面积转换为二进制数就为各阀的开启状态，即十进制255转换为二进制数为11111111，即所有对应的阀全开，图3所示，则保证了发动机和燃气锅炉等全负荷运转。当进液（气）量为设计流量的x%时，即阀的开度为x%，阀孔开启的总面积为：总面积＝N×(2⁸－1)=x%×255，将阀孔开启的总面积转换为二进制数，则为各阀所处的开启状态。

如果二进制转换后，二进制的位数应与阀的总数相等，如果二进制的位数不足阀的个数，从首位开始补“0”，直到二进制的位数与阀的个数相等为止。

在图2中，排列了各个调节阀的位置及面积大小的特点。如果内燃机和燃气锅炉在设计工况下运行，即在满负荷时，阀孔开启的总面积就为阀孔开度与（2^j-1）的乘积，即总面积＝N×(2^j-1)=100%×(2^j-1),其中j为调节阀的设置总数。比如现在设置调节阀的总数为8，则总面积=N×(2⁸-1)=100%×(2⁸-1)=255面积单位，将255面积单位转换为二进制数为11111111，二进制数的“1”表示开，而“0”则表示关，这时各调节阀所处状态就为全开，即各调节阀所处的状态为11111111，图3所示。如要调整到总负荷的50%，则阀孔开启的总面积=(2⁸-1)×50%=127.5，所得数据四舍五入取整，该开度总面积为128面积单位，将128转换为二进制,有10000000,也就是只有开启第一号调节阀即可，其余则处关闭状态，图4所示。如果要调整到总负荷的75%，阀孔开启的总面积=(2⁸-1)×75%=191.25，所得数据四舍五入取整，该开度总面积为191面积单位,将191转换为二进制，有10111111，也就是说，只要1、3、4、5、6、7、8号调节阀打开，而2号调节阀处关闭状态即可，图5所示。在50%以下调节时，要注意在二进制转化时，如果位数不足8位，则需要在首位开始补“0”，直到转换后的二进制位数与调节阀的个数相等为止。例如当需要调节原吸气量的45%，则阀孔开启的总面积=(2⁸-1)×45%=114.75≈115，转换为二进制且在首位补“0”，有01110011，也就是说，只要2、3、4、7、8号调节阀打开，其余均处关闭状态即可，图6所示。

由以上调节可见，气液流量数字微分控制***阀孔开启总面积，在进行二进制转化时的四舍五入，会造成调节中的误差，但是这个误差很小，一般不会超过1%，而且最大调节误差发生在原吸气量的15%以下，一般情况下内燃机和燃气锅炉设计进液（气）量不会调节到如此小的范围。当然如果需要进行更加的精确调节，选用的调节阀的个数也就要越多，则调节也就越平稳，即图1中的阴影面积也就近似于三角形面积。

但本发明并不局限上述所列举的具体实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明工作原理和上面给出的具体实施方式，可以做出各种等同的修改、等同的替换、阀门的增减和重新组合，从而构成更多新的实施方式。

Claims (3)

1.一种气液流量数字微分控制***，其特征在于：包括安装在被控制设备上的若干调节阀，所述若干调节阀由按照通流面积的大小依次编号的1号、2号…n号调节阀组成，各调节阀的通流面积分别为S₁，S₂，…S_n，其中n为阀号，所有调节阀的通流总面积为2^j-1，其中j为阀的总数；每个调节阀的面积从大到小排列或从小到大排列时，阀的面积组合成为一个等比数列，每个调节阀的面积从大到小排列时的公比为1/2，每个调节阀的面积从小到大排列时的公比为2；

S₁，S₂，…S_n为按照面积从大到小排列时，S_n＝2S_n+1，n＝1,2,…j，最后一个n号调节阀的通流面积为1个面积单位，即S_n＝1；

S₁，S₂，…S_n为按照面积从小到大排列时，1号调节阀的通流面积为1个面积单位，即S₁＝1，S_n＝1/2S_n+1，n＝1,2,…j；

1号、2号…n号调节阀分别对应二进制码的控制信号的每一位，每个调节阀打开状态为“1”，关闭状态为“0”；将1号、2号…n号调节阀的开启面积转换为二进制数，如果存在小数，则将小数四舍五入取整，二进制数的位数应与调节阀的个数相等，如果不等，从二进制的首位开始补“0”，直到位数相等为止；

最小一个调节阀的开启面积为1个面积单位；

在50％以下调节时，在二进制转化时，如果位数不足n位，在首位开始补“0”，直到转换后的二进制位数与调节阀的个数相等为止；

实际使用中，先根据被控制设备的设计进液/气量所对应的流量为阀孔的总面积，然后再根据所要求的调节流量，确定各阀的“开”和“关”状态；当进液/气量为设计流量时，阀孔开度为100％；而在总负荷情况下，阀开启的总面积为：总面积＝N×(2⁸-1)＝100％×255＝255，将阀的开启面积转换为二进制数就为各阀的开启状态，即十进制255转换为二进制数为11111111，即所有对应的阀全开；当进液/气量为设计流量的x％时，即阀的开度为x％，阀孔开启的总面积为：总面积＝N×(2⁸-1)＝x％×255，将阀孔开启的总面积转换为二进制数，则为各阀所处的开启状态。

2.根据权利要求1所述的气液流量数字微分控制***，其特征在于：各个阀完全是独立的，布置在被控制设备的任意位置。

3.根据权利要求1所述的气液流量数字微分控制***，其特征在于：所述1号、2号…n号调节阀布置在被控设备内燃机或燃气锅炉上。