專利名稱：氣液流量數(shù)字微分控制系統(tǒng)的制作方法
氣液流量數(shù)字微分控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流量控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種氣液流量數(shù)字微分控制系統(tǒng)；可用于內(nèi)燃機(jī)燃料(氣體、液體)、熱處理爐燃料、燃?xì)?燃油)鍋爐燃料、化工(氣體、液體)配料的流量控制。
背景技術(shù)：
目前內(nèi)燃機(jī)絕大多數(shù)都是往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)最大功率與其排量大小直接相關(guān)。在往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中，進(jìn)液(氣)量與活塞行程的上、下極限點(diǎn)的位置、活塞直徑和活塞的行程等有關(guān)，而實(shí)際上活塞行程的上、下止點(diǎn)位置、活塞直徑均是不能改變的，曲柄連桿機(jī)構(gòu)是剛性的也不可調(diào)整的，因此這類往復(fù)活塞式傳動機(jī)構(gòu)的排氣量都是固定的、不可變化的。但在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計過程中，一般都是按照最大的負(fù)載質(zhì)量、最高允許的車速、最短時間的加速性能和最大的爬坡角度等極限指標(biāo)來配置內(nèi)燃機(jī)的功率。在此情況下，內(nèi)燃機(jī)的最大功率雖然滿足了機(jī)動車在上述極限負(fù)荷情況下的行駛要求，而實(shí)際上機(jī)動 車在使用過程中，相當(dāng)多的情形下并非都處于這種極限狀態(tài)下，例如在市區(qū)內(nèi)中低速行駛的機(jī)動車、空載或少載的行駛機(jī)動車等等。機(jī)動車在這種低負(fù)荷狀態(tài)下行駛所需要的功率就比所配置的車用內(nèi)燃機(jī)最大功率小的多，這就迫使內(nèi)燃機(jī)只能在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷狀態(tài)下工作。往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)在低負(fù)荷和低轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)所消耗的燃料和排氣污染，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)速較高時和負(fù)荷較大的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域，這種內(nèi)燃機(jī)的特性也是造成機(jī)動車用內(nèi)燃機(jī)熱效率低、污染嚴(yán)重的重要原因。因此，根據(jù)機(jī)動車實(shí)際使用過程中負(fù)荷的大小變化，適時調(diào)整內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)液(氣)量，從而調(diào)整內(nèi)燃機(jī)的最大功率，使內(nèi)燃機(jī)始終工作在相適應(yīng)的功率范圍和較低的油耗區(qū)域，才能從根本上消除內(nèi)燃機(jī)在低負(fù)荷狀態(tài)下燃油消耗高、污染嚴(yán)重的性能缺陷。另外熱處理爐、燃料燃?xì)?燃油)、鍋爐燃料、化工(氣體、液體)配料流量液均是在最大功率下配置的，隨著處理量和溫度變化，其輸入液(氣)量也要適時調(diào)節(jié)，否則會造成燃燒不充分，效率下降等。在傳統(tǒng)的情況下，調(diào)節(jié)進(jìn)液(氣)量通常使用步進(jìn)電機(jī)來改變閥門的開度，進(jìn)而調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)忮仩t等的進(jìn)液(氣)量。步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)，實(shí)際上是通過步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動來控制閥芯的旋轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)的，而此種控制方法會形成兩種致命的缺點(diǎn)，其一是閥芯旋轉(zhuǎn)的角度無法精確控制；其二是調(diào)節(jié)過程中不能做到一步調(diào)節(jié)到位，要旋轉(zhuǎn)到某一確定位置角度時，必須要經(jīng)過相鄰的角度才能到達(dá)，這就使內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)忮仩t不能始終工作在相適應(yīng)的功率范圍和較低的油耗區(qū)域。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種氣液流量數(shù)字微分控制系統(tǒng)，使得在內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)忮仩t進(jìn)液量調(diào)節(jié)過程中既能一次到位，而且能夠做到精確調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
—種氣液流量數(shù)字微分控制系統(tǒng)，包括安裝在被控制設(shè)備上的若干調(diào)節(jié)閥，所述若干調(diào)節(jié)閥由按照通流面積的大小依次編號的I號、2號…η號調(diào)節(jié)閥組成，各調(diào)節(jié)閥的通流面積分別為S1, S2,，其中η為閥號，所有調(diào)節(jié)閥的通流總面積為2^1，其中j為閥的總數(shù)；每個調(diào)節(jié)閥的面積從大到小排列或從小到大排列時，閥的面積組合成為一個等比數(shù)列，每個調(diào)節(jié)閥的面積從大到小排列時的公比為1/2，每個調(diào)節(jié)閥的面積從小到大排列時的公比為2。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于S1, S2,…SnS按照面積從大到小排列時，Sn=2Sn+1，n=l, 2，…j,最后一個η號調(diào)節(jié)閥的通流面積為I個面積單位，即Sn=l。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于S1; S2,為按照面積從小到大排列時，I號調(diào)節(jié)閥的通流面積為I個面積單位，即S1=I, Sn=l/2Sn+1, n=l, 2，…j。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于1號、2號…η號調(diào)節(jié)閥分別對應(yīng)二進(jìn)制碼的控制信號 的每一位，每個調(diào)節(jié)閥打開狀態(tài)為“1”，關(guān)閉狀態(tài)為“O”;將I號、2號…η號調(diào)節(jié)閥的開啟面積轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，如果存在小數(shù)，則將小數(shù)四舍五入取整，二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)應(yīng)與調(diào)節(jié)閥的個數(shù)相等，如果不等，從二進(jìn)制的首位開始補(bǔ)“0”，直到位數(shù)相等為止。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于各調(diào)節(jié)閥的開啟狀態(tài)使用二進(jìn)制數(shù)的“O”和“I”表達(dá)，“O”表示關(guān)閉狀態(tài)，“I”表示開啟狀態(tài)。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于最小一個調(diào)節(jié)閥的開啟面積為I個面積單位。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于面積單位由被控制設(shè)備的設(shè)計進(jìn)液/氣量與設(shè)計流速確定，其值為設(shè)計進(jìn)液/氣量與設(shè)計流速的比值。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于各個閥完全是獨(dú)立的，布置在被控制設(shè)備的任意位置。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述I號、2號…η號調(diào)節(jié)閥布置在被控設(shè)備內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)忮仩t上。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)在內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)忮仩t等負(fù)荷從100% 0%自由調(diào)節(jié)中，利用各個閥的開啟和關(guān)閉，使得在內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)忮仩t進(jìn)液量調(diào)節(jié)過程中既能一次到位，而且能夠做到精確調(diào)節(jié)，使內(nèi)燃機(jī)始終工作在相適應(yīng)的功率范圍和較低的油耗區(qū)域工作，從根本上消除內(nèi)燃機(jī)在低負(fù)荷狀態(tài)下燃油消耗高、污染嚴(yán)重的性能缺陷，燃?xì)忮仩t也能始終工作在高效狀態(tài)。

圖I為氣液流量數(shù)字微分控制系統(tǒng)原理示意圖；圖2為本發(fā)明各閥的排列與通流面積特點(diǎn)示意圖；圖3為設(shè)置為8個閥時，在滿負(fù)荷情況下，各調(diào)節(jié)閥所處的開啟狀態(tài)；圖4為設(shè)置8個閥時，且調(diào)節(jié)到原流量50%時，各調(diào)節(jié)閥所處狀態(tài)；圖5為設(shè)置8個閥時，且調(diào)節(jié)到原流量75%時，各調(diào)節(jié)閥所處狀態(tài)；圖6為設(shè)置8個閥時，且調(diào)節(jié)到原流量45%時，各調(diào)節(jié)閥所處狀態(tài)。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。本發(fā)明提供的內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)忮仩t等的氣液流量數(shù)字微分控制系統(tǒng)完全可以克服傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，做到一次精確調(diào)節(jié)到位。該氣液流量微分控制系統(tǒng)的原理由圖I表示，圖中橫坐標(biāo)S為閥的通流面積，縱坐標(biāo)Q為氣液流量，在某一設(shè)定流量Qtl下，閥的總通流面積由三角形面積OAB表示，采用流量數(shù)字微分調(diào)節(jié)控制后的總通流面積由圖中陰影面積表示，即三角形面積由若干個閥的矩形面積代替，如果需要非常準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)，則可以設(shè)置多個閥，其陰影面積就足夠接近三角形面積。各閥完全是獨(dú)立的，可以根據(jù)所需要的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，任意布置在機(jī)構(gòu)的任何位置。本發(fā)明氣液流量微分控制系統(tǒng)是由j個可控閥門(電磁閥等)組成，它們的面積分別為S1, S2,，其中η為閥號，設(shè)Sn=I個面積單位，閥的加權(quán)系數(shù)為211-1，所有閥的總通流總面積為2Μ，其中j為閥的總數(shù)，每一個閥的面積等于該閥的加權(quán)系數(shù)與Sn的乘積，各閥的面積關(guān)系為Si=2Si+1，每個閥的面積從大到小排列，圖2所示，閥的面積組合成為一個等比數(shù)列，其公比為1/2，它完全符合等比數(shù)列的性質(zhì)，面積單位是根據(jù)內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)忮仩t設(shè)定工況下的通流總面積確定。設(shè)置每個閥打開狀態(tài)為“1”，關(guān)閉狀態(tài)為“0”，這樣就由每個閥的開、關(guān)組成了 2n個流量控制開度。流量控制開度正好為二進(jìn)制數(shù)，二進(jìn)制的“ I ”和“O”則就表達(dá)了每個閥“開”與“關(guān)”的狀態(tài)。通過各閥的“開”與“關(guān)”直接做到一步調(diào)節(jié)到位。實(shí)際使用中，先根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計功率和燃?xì)忮仩t的設(shè)計進(jìn)液(氣)量所對應(yīng)的流·量為閥孔的總面積，然后再根據(jù)所要求的調(diào)節(jié)流量，確定各閥的“開”和“關(guān)”狀態(tài)，例如使用8個閥，閥的總數(shù)j=8，先根據(jù)公式計算各閥的加權(quán)系數(shù)211-1，然后再按照公SSi=〗11—1 *Sn計算出各閥的面積，如第一個閥的加權(quán)系數(shù)為2^=2^=128,第一只閥的面積為S1=128 · 1=128，第二只閥的加權(quán)系數(shù)為2^=2^=64,第二只閥的面積為S2=64 · 1=64，同理可以計算出其它各閥的加權(quán)系數(shù)和面積，按照各閥的面積大小進(jìn)行排列，分別為128、64、32、16、8、4、2、I，最末一只閥的面積單位為1，則閥孔的開度為=N=總面積/ (2[1)，當(dāng)進(jìn)液(氣)量為設(shè)計流量時(滿負(fù)荷時)，閥孔開度為100%，即N=總面積/ (28-1 )=100%,而在總負(fù)荷情況下，閥開啟的總面積為總面積=NX (28-1)=100%Χ255=255，將閥的開啟面積轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)就為各閥的開啟狀態(tài)，即十進(jìn)制255轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)為11111111，即所有對應(yīng)的閥全開，圖3所示，則保證了發(fā)動機(jī)和燃?xì)忮仩t等全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)進(jìn)液(氣)量為設(shè)計流量的x%時，即閥的開度為x%，閥孔開啟的總面積為總面積=NX (28 — I) =x%X255，將閥孔開啟的總面積轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，則為各閥所處的開啟狀態(tài)。如果二進(jìn)制轉(zhuǎn)換后，二進(jìn)制的位數(shù)應(yīng)與閥的總數(shù)相等，如果二進(jìn)制的位數(shù)不足閥的個數(shù)，從首位開始補(bǔ)“0”，直到二進(jìn)制的位數(shù)與閥的個數(shù)相等為止。在圖2中，排列了各個調(diào)節(jié)閥的位置及面積大小的特點(diǎn)。如果內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)忮仩t在設(shè)計工況下運(yùn)行，即在滿負(fù)荷時，閥孔開啟的總面積就為閥孔開度與(2[1)的乘積，即總面積=NX (2J-1)=100%X (2J-1),其中j為調(diào)節(jié)閥的設(shè)置總數(shù)。比如現(xiàn)在設(shè)置調(diào)節(jié)閥的總數(shù)為8，則總面積=NX (28-1) =100%X (28-1) =255面積單位，將255面積單位轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)為11111111，二進(jìn)制數(shù)的“I”表示開，而“O”則表示關(guān)，這時各調(diào)節(jié)閥所處狀態(tài)就為全開，SP各調(diào)節(jié)閥所處的狀態(tài)為11111111，圖3所示。如要調(diào)整到總負(fù)荷的50%，則閥孔開啟的總面積=(28-1)Χ50%=127.5，所得數(shù)據(jù)四舍五入取整，該開度總面積為128面積單位，將128轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，有10000000，也就是只有開啟第一號調(diào)節(jié)閥即可，其余則處關(guān)閉狀態(tài)，圖4所示。如果要調(diào)整到總負(fù)荷的75%，閥孔開啟的總面積=(28-1) X75%=191. 25，所得數(shù)據(jù)四舍五入取整，該開度總面積為191面積單位，將191轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制,有10111111,也就是說,只要1、3、4、5、6、7、8號調(diào)節(jié)閥打開，而2號調(diào)節(jié)閥處關(guān)閉狀態(tài)即可，圖5所示。在50%以下調(diào)節(jié)時，要注意在二進(jìn)制轉(zhuǎn)化時，如果位數(shù)不足8位，則需要在首位開始補(bǔ)“0”，直到轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制位數(shù)與調(diào)節(jié)閥的個數(shù)相等為止。例如當(dāng)需要調(diào)節(jié)原吸氣量的45%，則閥孔開啟的總面積=(28-1) X45%= 114. 75 ^ 115，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制且在首位補(bǔ)“0”，有01110011，也就是說，只要2、3、4、7、8號調(diào)節(jié)閥打開，其余均處關(guān)閉狀態(tài)即可，圖6所示。由以上調(diào)節(jié)可見，氣液流量數(shù)字微分控制系統(tǒng)閥孔開啟總面積，在進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)化時的四舍五入，會造成調(diào)節(jié)中的誤差，但是這個誤差很小，一般不會超過1%，而且最大調(diào)節(jié)誤差發(fā)生在原吸氣量的15%以下，一般情況下內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)忮仩t設(shè)計進(jìn)液(氣)量不會調(diào)節(jié)到如此小的范圍。當(dāng)然如果需要進(jìn)行更加的精確調(diào)節(jié)，選用的調(diào)節(jié)閥的個數(shù)也就要越多，則調(diào)節(jié)也就越平穩(wěn)，即圖I中的陰影面積也就近似于三角形面積。但本發(fā)明并不局限上述所列舉的具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明工作原理和上面給出的具體實(shí)施方式
，可以做出各種等同的修改、等同的替換、閥門的增減和重新組合，從而構(gòu)成更多新的實(shí)施方式?！?br> 權(quán)利要求
1.一種氣液流量數(shù)字微分控制系統(tǒng)，其特征在于包括安裝在被控制設(shè)備上的若干調(diào)節(jié)閥，所述若干調(diào)節(jié)閥由按照通流面積的大小依次編號的I號、2號…η號調(diào)節(jié)閥組成，各調(diào)節(jié)閥的通流面積分別為S1, S2,，其中η為閥號，所有調(diào)節(jié)閥的通流總面積為2U，其中j為閥的總數(shù)；每個調(diào)節(jié)閥的面積從大到小排列或從小到大排列時，閥的面積組合成為一個等比數(shù)列，每個調(diào)節(jié)閥的面積從大到小排列時的公比為1/2，每個調(diào)節(jié)閥的面積從小到大排列時的公比為2。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣液流量數(shù)字微分控制系統(tǒng)，其特征在于S1;S2,為按照面積從大到小排列時，Sn=2Sn+1, n=l, 2，…j,最后一個η號調(diào)節(jié)閥的通流面積為I個面積單位，即Sn=I。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣液流量數(shù)字微分控制系統(tǒng)，其特征在于S1;S2，…Sn為按照面積從小到大排列時，I號調(diào)節(jié)閥的通流面積為I個面積單位，即S1=LSn=IASn^n=I, 2，…j°
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣液流量數(shù)字微分控制系統(tǒng)，其特征在于1號、2號…η號調(diào)節(jié)閥分別對應(yīng)二進(jìn)制碼的控制信號的每一位，每個調(diào)節(jié)閥打開狀態(tài)為“1”，關(guān)閉狀態(tài)為“O”；將I號、2號…η號調(diào)節(jié)閥的開啟面積轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，如果存在小數(shù)，則將小數(shù)四舍五入取整，二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)應(yīng)與調(diào)節(jié)閥的個數(shù)相等，如果不等，從二進(jìn)制的首位開始補(bǔ)“0”，直到位數(shù)相等為止。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣液流量數(shù)字微分控制系統(tǒng)，其特征在于各調(diào)節(jié)閥的開啟狀態(tài)使用二進(jìn)制數(shù)的“O”和“ I”表達(dá)，“O”表示關(guān)閉狀態(tài)，“ I”表示開啟狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣液流量數(shù)字微分控制系統(tǒng)，其特征在于最小一個調(diào)節(jié)閥的開啟面積為I個面積單位。
7.根據(jù)權(quán)利要求2、3或6所述的氣液流量數(shù)字微分控制系統(tǒng)，其特征在于面積單位由被控制設(shè)備的設(shè)計進(jìn)液/氣量與設(shè)計流速確定，其值為設(shè)計進(jìn)液/氣量與設(shè)計流速的比值。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣液流量數(shù)字微分控制系統(tǒng)，其特征在于各個閥完全是獨(dú)立的，布置在被控制設(shè)備的任意位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣液流量數(shù)字微分控制系統(tǒng)，其特征在于所述I號、2號…η號調(diào)節(jié)閥布置在被控設(shè)備內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)忮仩t上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氣液流量數(shù)字微分控制系統(tǒng)，包括安裝在被控制設(shè)備上的若干調(diào)節(jié)閥，所述若干調(diào)節(jié)閥由按照通流面積的大小依次編號的1號、2號…n號調(diào)節(jié)閥組成，各調(diào)節(jié)閥的通流面積分別為S1，S2，…Sn，其中n為閥號，所有調(diào)節(jié)閥的通流總面積為2j-1，其中j為閥的總數(shù)；每個調(diào)節(jié)閥的面積從大到小排列或從小到大排列時，閥的面積組合成為一個等比數(shù)列，每個調(diào)節(jié)閥的面積從大到小排列時的公比為1/2，每個調(diào)節(jié)閥的面積從小到大排列時的公比為2。在被控設(shè)備負(fù)荷從100%～0%自由調(diào)節(jié)中，利用各個閥的開啟和關(guān)閉，使得在內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)忮仩t進(jìn)液量調(diào)節(jié)過程中既能一次到位，而且能夠做到精確調(diào)節(jié)，使內(nèi)燃機(jī)始終工作在相適應(yīng)的功率范圍和較低的油耗區(qū)域工作。
文檔編號G05D7/06GK102890513SQ20121038517
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月11日
發(fā)明者曹兵 申請人:曹兵