РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE REGULATOR

Изобретение относится к регулятору давления для регулирования давления текучей среды и может быть использовано, в частности, в системе подачи газовой текучей среды, например природного газа, водорода или ему подобного, для регулирования давления потока газовой текучей среды от источника газового топлива, находящегося под давлением, к рабочему устройству, такому как, например, двигатель внутреннего сгорания.
Известны механические регуляторы давления, содержащие корпус, внутри которого образована регулирующая камера.
Внутри регулирующей камеры расположены диафрагма или поршень, которые разделяют эту регулирующую камеру на первую или верхнюю камеру и вторую или нижнюю камеру.
Первая камера связана с окружающей средой с эталонным давлением, например атмосферным.
Вторая камера имеет впускное и выпускное отверстия для газового топлива, связанные соответственно с источником газового топлива и с работающим на газовом топливе устройством.
Кроме того, известные механические регуляторы содержат клапан для регулирования потока газового топлива между впускным и выпускным отверстиями.
Этот клапан прикреплен к первой стороне диафрагмы/поршня, обращенной ко второй камере, и снабжен гнездом, расположенным во второй камере, в начале топливного потока, между впускным и выпускным отверстиями.
Кроме того, известные механические регуляторы содержат пружину, расположенную в первой камере и прикрепленную ко второй стороне диафрагмы/поршня, обращенной к первой камере, и к противоположной первой стороне.
При работе пружина силой упругости действует на диафрагму/поршень, которая давит на клапан, располагая и удерживая его на некотором расстоянии от гнезда, чтобы ограничить отверстие, через которое будет протекать заданный поток газового топлива.
Другими словами, с помощью диафрагмы/поршня пружина располагает клапан в заданном рабочем положении, которое соответствует заданному выпускному давлению регулятора.
Недостатком известных механических регуляторов является то, что выпускное давление изменяется относительно величины номинального давления в рабочем диапазоне регулятора, т.е. выпускное давление меняется с изменением впускного давления регулятора и требуемой скорости потока.
Другим недостатком известных механических регуляторов является то, что они не позволяют регулировать вышеотмеченное выпускное давление во время работы, т.е. они работают с постоянным номинальным выпускным давлением, которое зависит от эталонного давления.
Фактически это выпускное давление определяется рабочим положением клапана, которое зависит от силы упругости пружины, действующей на клапан посредством диафрагмы/поршня.
Эта сила упругости зависит от характеристик пружины, от предварительной нагрузки и, в частности, от модуля упругости и, следовательно, не может быть изменена во время работы.
Следующим недостатком является то, что известные механические регуляторы требуют периодической калибровки, чтобы поддерживать и, таким образом, сохранять первоначальные характеристики.
Это касается диафрагмы, которая подвержена временному искривлению и постоянным деформациям.
Другим недостатком является то, что эти регуляторы нельзя применять при низких температурах, при отсутствии теплообмена между газовым топливом и соответствующим источником тепла.
Это касается диафрагмы, которая из-за ее чувствительности к температуре становится жесткой при низких температурах.
Задачей изобретения является усовершенствование регуляторов давления.
Дополнительной задачей является создание регуляторов давления, способных изменять выпускное давление.
Еще одной задачей является создание регуляторов давления, которые можно контролировать во время работы.
Еще одной задачей является создание регуляторов давления, которые более надежны и точны, чем известные регуляторы, и не требуют проведения периодических калибровок по время их срока службы.
Еще одной задачей является создание регуляторов давления, обладающих малой чувствительностью к низким температурам по сравнению с известными механическими регуляторами.
Регулятор давления текучей среды согласно изобретению содержит регулирующую камеру, в которой расположен поршень, причем в регулирующей камере первая и вторая камеры ограничены противоположными частями поршня и имеют, соответственно, первое и второе впускные отверстия для текучей среды, связанные с первым оборудованием под первым давлением, и имеют соответственно первое и второе выпускные отверстия для текучей среды, связанные со вторым оборудованием под вторым давлением, при этом поршень имеет возможность перемещения в регулирующей камере в ответ на изменение давления текучей среды в первой камере для открытия/закрытия второго выпускного отверстия с целью регулирования второго давления, причем регулятор давления текучей среды содержит клапан для открытия/закрытия первого выпускного отверстия с целью изменения давления в первой камере.
В одном из вариантов осуществления изобретения регулятор содержит блок контроля и управления для контроля клапана с помощью циклов широтно-импульсной модуляции.
Во время работы это обеспечивает возможность регулирования и изменения второго давления с помощью электроники.
Фактически в блок контроля и управления введено давление заданного значения, представляющее второе давление, причем это заданное значение может быть фиксированным или переменным.
Блок контроля и управления затем сравнивает второе давление, измеренное датчиком давления, расположенным после второго выпускного отверстия, с заданным давлением.
Затем, в зависимости от возможного отклонения, определяемого между вторым выпускным давлением и заданным давлением, блок контроля и управления вырабатывает электрический сигнал, посылаемый в клапан, который создает изменение давления в первой камере, что заставляет поршень перемещаться, чтобы сравнять второе давление с заданным давлением.
Кроме того, регулятор согласно изобретению более надежен и точен по сравнению с известными механическими регуляторами и может также использоваться при низких температурах.
Фактически в таком регуляторе нет диафрагмы, используемой в известных механических регуляторах, которая чувствительна к температуре и сроку использования.
Изобретение может быть лучше понято и выполнено с помощью приведенных чертежей, на которых показаны некоторые варианты осуществления изобретения посредством примера, не выходящего за объем и сущность изобретения.
На фиг.1 схематично показан регулятор давления в первом рабочем положении, установленный в устройстве подачи газового топлива;
на фиг.2 - регулятор давления по фиг.1 во втором рабочем положении.
in
На фиг.1 и 2 показано устройство 1 подачи топлива, например природного газа, сжиженного нефтяного газа, водорода и ему подобное, содержащее резервуар 2 или цилиндр, предназначенный для содержания газового топлива под заданным впускным давлением P.
in
out
Резервуар 2 подает газовое топливо под впускным давлением P в регулятор 3 давления, предназначенный для подачи газового топлива под выпускным давлением P в топливное дозирующее устройство 6, например, инжектор устройства 7, работающего на газовом топливе, например, двигателя внутреннего сгорания.
in
out
Другими словами, регулятор 3, расположенный между резервуаром 2 и дозирующим устройством 6, принимает газовое топливо из резервуара 2 с впускным давлением P и подает газовое топливо в дозирующее устройство 6 с фиксированным или переменным значением выпускного давления P.
Регулятор 3 содержит корпус 8, внутри которого образована регулирующая камера 9. Регулирующая камера 9 снабжена первой камерой 10 и второй камерой 11, причем первая камера функционально расположена выше второй камеры 11.
Первая камера 10 и вторая камера 11 имеют, соответственно, первое впускное отверстие 12 и второе впускное отверстие 13 для газового топлива, причем эти отверстия связаны с резервуаром 2 посредством первой трубки 20 и второй трубки 21 соответственно.
Кроме того, первая камера 10 и вторая камера 11 имеют соответственно первое выпускное отверстие 14 и второе выпускное отверстие 15 (фиг.2), связанные с контрольной камерой 16 регулятора 3 и с дозирующим устройством 6 посредством третьей трубки 22 и четвертой трубки 23 соответственно.
Регулятор 3 дополнительно содержит пятую трубку 24, снабженную первой заслонкой 36 и второй заслонкой 37, предназначенными для связи пятой трубки 24 с контрольной камерой 16 и с четвертой трубкой 23 соответственно.
Регулятор 3 снабжен поршнем 18, расположенным в регулирующей камере 9 и ограничивающим первую камеру 10 и вторую камеру 11.
В частности, между поршнем 18 и регулирующей камерой 9 имеется зазор 100 соответствующего размера, обеспечивающий проход газового топлива между первой камерой 10 и второй камерой 11.
Поршень 18 содержит первую торцевую поверхность 38 и вторую торцевую поверхность 39, противоположные друг другу и обращенные соответственно к первой камере 10 и второй камере 11, причем первая торцевая поверхность 38 больше второй торцевой поверхности 39.
Поршень 18 имеет возможность перемещения между первым закрытым положением С1, показанным на фиг.1, и первым открытым положением А1, показанным на фиг.2, в которых поршень 18 соответственно предотвращает/допускает течение газового топлива из второй камеры 11 в дозирующее устройство 6 через второе выпускное отверстие 15.
Другими словами, поршень 18 может перемещаться ко второму выпускному отверстию 15 или от него так, чтобы частично или полностью перекрывать второе выпускное отверстие 15 посредством своего торца 19.
Таким образом, можно изменять размер отверстия (не показано), ограниченного торцом 19 и вторым выпускным отверстием 15, для обеспечения регулируемого пропускания газового топлива из второй камеры 11 в дозирующее устройство 6.
Регулятор 3 содержит первую пружину 25, расположенную в первой камере 10 и предназначенную для перемещения поршня 18 ко второму выпускному отверстию 15.
Регулятор 3 также содержит электромагнитный клапан 26, предназначенный для контроля первого давления Р1, действующего в первой камере 10.
Электромагнитный клапан 26 может перемещаться между вторым закрытым положением С2, показанным на фиг.1, и вторым открытым положением А2, показанным на фиг.2.
Электромагнитный клапан 26 снабжен заслонкой 27, предназначенной для открытия/закрытия первого выпускного отверстия 14 первой камеры 10 соответственно, когда электромагнитный клапан 26 находится во втором открытом положении А2 и во втором закрытом положении С2, причем перемещение заслонки 27 от первого выпускного отверстия 14 контролируется соленоидом 28, содержащим обмотку 29, намотанную на поддерживающий элемент 30.
Внутри обмотки 29 образован проход 33, внутри которого может скользить закрепленный на заслонке 27 штифт 34.
Регулятор 3 содержит вторую пружину 31, расположенную на штифте 34 в проходе 33.
В частности, вторая пружина 31 предназначена для расположения электромагнитного клапана 26 во втором закрытом положении С2, т.е. для толкания заслонки 27 к первому выпускному отверстию 14, чтобы закрыть его.
Электромагнитный клапан 26 регулируется блоком 4 контроля и управления, использующим широтно-импульсный модулированный прямоугольный сигнал, или PWM (широтно-импульсную модуляцию) и/или частотно-модулированный сигнал.
set
out
set
В блоке 4 контроля и управления входным является заданное значение давления (P), которое представляет заданное выпускное давление (P), причем это заданное значение P может быть фиксированным или переменным.
set
out
set
В блок 4 контроля и управления вводят заданное давление P, которое отражает требуемое выпускное давление Р регулятора 3, причем это заданное значение P может быть фиксированным или переменным.
out
set
Блок 4 контроля и управления сравнивает выпускное давление P, замеренное датчиком 5 давления, расположенным после второго выпускного отверстия 15, с заданным давлением P, используя, например, пропорциональный, интегральный и дифференциальный (PID) контрольный алгоритм, или пропорциональный и интегральный (PI) контрольный алгоритм.
out
set
out
set
Затем, в зависимости от возможного отклонения, определяемого между выпускным давлением P и заданным давлением P, блок 4 контроля и управления вырабатывает электрический сигнал, посылаемый в соленоид 28, который приводит в действие заслонку 27, чтобы сравнять выходное давление P с заданным давлением P.
Работа регулятора 3 описана ниже с помощью фиг.1 и 2, на которых регулятор 3 находится в первом положении А и во втором положении В соответственно.
В первом положении А обмотка 29 обесточена, и электромагнитный клапан 26 находится в первом закрытом положении С2, в котором благодаря оказываемой второй пружиной 31 силе давления заслонка 27 прижата к первому выпускному отверстию 14, т.е. закрывает его.
В первом положении А первая сила FP1 благодаря первому давлению Р1 в первой камере 10 и сила упругости FEL первой пружины 25 действуют на первую торцевую поверхность 38 поршня 18, толкая поршень 18 ко второму выпускному отверстию 15.
out
out
in
С другой стороны, в первом положении А вторая сила FP2 благодаря второму давлению Р2 во второй камере 11 и третья сила FP3 благодаря выпускному давлению P действует на вторую торцевую поверхность 39 поршня 18, причем выпускное давление P в четвертой трубке 23 меньше, чем впускное давление P, которое толкает поршень 18 от выпускного отверстия 15.
in
В первом положении А первое давление Р1 равно второму давлению Р2, и оба давления равны впускному давлению P, но, так как первая торцевая поверхность 38 больше, чем вторая поверхность 39, первая сила FP1 будет больше второй силы FP2, а сумма первой силы FP1 и силы упругости FEL будет больше сумм второй силы FP2 и третьей силы FP3 и, следовательно, поршень 18 будет удерживаться в первом закрытом положении С1.
Во втором положении В обмотка 29 находится под напряжением, и электромагнитный клапан 26 находится во втором открытом положении А2, в котором заслонка 27 поднята относительно первого выпускного отверстия 14.
Таким образом, так как первый диаметр d1 первого выпускного отверстия 14 больше второго диаметра d2 первого впускного отверстия 12, поток газового топлива проходит из первой камеры 10 в контрольную камеру 16, а из камеры 16 - в дозирующее устройство 6 по пятой трубке 24.
Этот поток газового топлива вызывает снижение первого давления Р1 в первой камере 10, а затем первой силы FP1.
in
Когда первая сила FP1 достигает такого значения, при котором сумма первой силы FP1 и силы упругости FEL меньше суммы второй силы FP2 и третьей силы FP3, поршень 18 перемещается от второго выпускного отверстия 15, т.е. поршень 18 переходит из первого закрытого положения С2 в первое открытое положение А1, в котором регулируемый поток газового топлива течет в дозирующее устройство 6 из второй камеры 11, постоянно снабжаемой газовым топливом с впускным давлением P.
out
OUT
set
Затем датчик 5 давления определяет выпускное давление P на выпуске регулятора 3 и посылает сигнал в блок 4 контроля и управления, который сравнивает это выпускное давление P с заданным давлением P и посылает соответствующие сигналы управления к электромагнитному клапану 26, если электромагнитный клапан 26 определяет отклонение между этими значениями.
Дополнительно регулятор 3 позволяет также эффективно регулировать минимальный поток газового топлива в дозирующее устройство 6 в условиях максимального давления этого газового топлива.
Фактически при соответствующей работе электромагнитного клапана 26 можно позволить небольшому потоку газового топлива выходить из камеры 10 так, чтобы отклонение первого давления Р1 в первой камере 10 не было достаточным для перемещения поршня 18, который оставался бы в первом закрытом положении С1.
Этот небольшой поток, контролируемый блоком 4 контроля и управления, выходит из первой камеры 10 в дозирующее устройство 6 через пятую трубку 24.
Другими словами, можно обеспечить небольшой поток текучей среды без работы поршня 18, т.е. обходом поршня 18.
Следует отметить, что электромагнитный клапан 26, соответственно регулируемый блоком 4 контроля и управления, способен регулировать первое давление Р1 и тем самым начало и продолжительность подачи газового топлива в дозирующее устройство 6.
Для уверенности в оптимальной работе регулятора 3 первый диаметр d1 должен быть достаточно небольшим, чтобы сдерживать силы давления, действующие на заслонку 27.
Другими словами, первый диаметр d1 должен быть достаточно небольшим, чтобы позволять второй пружине 31 удерживать электромагнитный клапан 26 во втором закрытом положении С2, когда обмотка 29 обесточена.
Кроме того, первый диаметр d1 должен быть больше второго диаметра d2, чтобы скорость потока газового топлива, находящегося в первой камере 10, была больше дальнейшей скорости потока газового топлива, поступающего в первую камеру 10.
С другой стороны, когда поршень 18 находится в первом закрытом положении С1, первый объем, образованный первой камерой 10, должен быть намного меньше, чем второй объем, образованный второй камерой 11.
Это особенно важно на этапе впуска газового топлива, поскольку первая камера 10 наполняется быстрее второй камеры 11, чтобы избежать нежелательного открытия, т.е. не управляемого электромагнитным клапаном 26 поршня 18.
Кроме того, необходимо отметить, что регулятор 3 может быть введен и использован в любом месте газовой трубы (не показано) между источником снабжения и рабочим устройством или может быть использован в качестве регулятора в транспортных средствах и машинах, снабженных топливным баком, или использован для регулирования давления любой текучей среды.
out
Следует отметить, что регулятор 3 во время работы управляется блоком 4 контроля и управления, который позволяет в первом случае регулировать, а во втором случае изменять выпускное давление Р с помощью электроники.
В первом случае электронное управление способно компенсировать любые отклонения, которые могут возникать во время срока службы регулятора 3, без необходимости в периодической калибровке.
out
Во втором случае электронное управление способно компенсировать любые отклонения работающего на газовом топливе устройства 7 и/или обеспечить выпускное давление P, требуемое для удовлетворения любых изменяемых режимов работы устройства 7.
Кроме того, электронное управление способно диагностировать любые нарушения регулятора 3, а также рабочего устройства 7 для обеспечения безопасного режима.