Высокоточная непрерывная подача газообразного топлива для больших динамических диапазонов мощности - RU2649503C2
Код документа: RU2649503C2
Чертежи
Описание
ПРИТЯЗАНИЕ НА ПРИОРИТЕТ ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ ЗАЯВОК
[0001] Настоящая заявка испрашивает преимущество дат подачи заявки (i) предварительной заявки США, №61/661,775, поданной 19 июня 2012 года с названием «Continuous Gaseous Fuel Supply with High Turndown Ratio», и (ii) предварительной заявки США, №61/808,910, поданной 5 апреля 2013 года с название Continuous Gaseous Fuel Supply with High Turndown Ratio», полное описание которых приведено в настоящем документе в качестве ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0002] Настоящее изобретение, в основном, относится к регулирующим клапанам для непрерывной подачи газообразного топлива, который подается для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием. В частности, оно относится к клапанам непрерывной подачи топлива и смежным системам для подачи паров топлива с мгновенно точной величиной расхода в ответ на запрос от модуля/блока управления двигателя (ЕСМ) для двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, в частности, при больших динамических диапазонах мощности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Совершенствование модуля ЕСМ в 1980-х значительно повысило возможности оптимизации эффективности и рабочих показателей, а также сведения к минимуму проблемы выхлопных газов в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием и непрерывной подачей топлива. Путем постоянного мониторинга множества датчиков и входных данных ЕСМ устанавливает баланс текущих команд оператора в зависимости от рабочих условий и для выбора оптимальных показателей расхода топлива двигателя в том или ином случае.
[0004] Информация об идеальных показателях расхода и фактический расход - это две совершенно разные вещи. Несмотря на то, что современные модули ЕСМ могут иметь информацию об идеальном расходе в любой данный мгновенный момент времени, на практике источники подачи топлива не способны подавать его соответственно требованию и мгновенно в ответ на требование для всего диапазона работы. Самые лучшие из доступных на сегодняшний день устройств управления требуют обеспечить заданное значения отклонения в 1%, и это означает, что отклонение фактического расхода топлива составляет около 1% от затребованного расхода топлива. Возможность подачи соответственно требуемого и непрерывного потока газообразного топлива при расходе с точностью заданного значения отклонения в 1% считается чрезвычайно точным показателем и было бы идеально, но требования по обеспечению такой эффективности являются только частью сказанного.
[0005] В предшествующем уровне техники, предельные точности заданных значений достигаются только в ограниченном диапазоне работы, и это означает, что заявленные точности, как правило, ненадежны, особенно в случае двигателей, имеющих большие диапазоны динамический мощности («диапазон динамический мощности» двигателя - это отношение максимальной мощности к минимальной мощности, при котором двигатель будет работать как установлено, которое в большой мере зависит от эффективной степени регулирования присоединенной системы подачи топлива.) Например, при подаче топлива в количестве 25 г/с на верхней границе рабочего диапазона, один процент будет составлять четверть грамма/секунду (0,25 г/с). Во время калибровки одного из самых лучших доступных клапанов на погрешность (или отклонение) в четверть грамма/секунду, который можно отрегулировать на умеренный расход, один и тот же источник подачи топлива часто необходим также на холостом режиме при показателе в четверть г/с, что является противоположной границей рабочего диапазона, вследствие чего, погрешность в четверть грамма/секунду может быть очень серьезной неточностью расхода при режиме, близким к холостому режиму. Несмотря на наличие мнения о том, что точного регулирования легко достичь при более низких показателях расхода, точность заданного значения отклонения в 1% при расходе четверти грамма/секунду на холостом режиме потребовало бы точности в пределах отклонения ±0,0025 г/с. Таким образом, в то время, как в предшествующем уровне техники клапаны расхода газа претендуют на предоставление чрезвычайно точных показателей расхода на конкретных участках их общего рабочего диапазона (часто при 200 кПа), они уже давно являются недостижимыми как на обеих границах рабочего диапазона, так и между этими границами, особенно что касается больших диапазонов в условиях реальной эксплуатации.
[0006] Сложное взаимодействие слишком большого количества фактических переменных нарушает осуществление соответственно высокой, полнофункциональной точности заданных значения для источников непрерывной подачи топлива. Износ и разрыв, утечки, время задержки, сбои, засорения, шум, искажения, а также общая изменчивость - все это случаи реальной эксплуатации. Воздействие внешних температур и постоянная изменчивость химического состава газообразного топлива еще больше усугубляют существующие проблемы.
[0007] Кроме того, даже при условии достижения совершенства в конструкции самого клапана регулирования расхода источника подачи топлива, точности расхода также могут быть помехой по колебаниям давления на входе и на выходе. Так как газообразное топливо является сжимаемым, факторы на выходе, относящиеся к сгоранию топлива или движениям клапана и поршня, могут вызвать волны давления, которые создают значительные колебания расхода. Колебания давления на входе могут вызывать такие же проблемы, особенно во время регулирования расхода паров сжиженного топлива (например, пропана, сжиженного природного газа (СПГ) или сжиженного углеводородного газа (СУГ)).
[0008] Трудности регулирования уровня испаряющихся жидкостей возникают в основном вследствие резкого изменения давления в баках в ходе эксплуатации. Например, когда топливный бак с СПГ заполнен наполовину, давление подачи достаточно хорошо поддается регулированию. Однако проблемы с регулированием появляются, когда бак полный, из-за отсутствия мгновенной мощности давления пара, а также, когда бак почти пустой, так как объем жидкого топлива испаряется в течение долгого времени. Управление парами жидкого топлива становится все более сложным, если газообразования меньше, чем в источнике, когда он полный. Если какая-либо остаточная жидкая фаза сохраняется после прохождения через испаритель, что очень часто происходит, когда теплообменники засоряются, могут возникать резкие скачки давления в клапане регулирования расхода или в других местах, что может свести на нет даже самые надежные системы регулирования.
[0009] В результате обычные клапаны управления потоком газа не способны постоянно соответствовать точности заданного значения расхода, которая является очень важной для обеспечения оптимальной мощности и выпуска выхлопных газов при наличии больших динамических диапазонов мощности. Даже самые лучшие устройства управления, как правило, не в состоянии соответственно достигать и постоянно поддерживать точность заданного значения расхода с отклонением 1% в пределах динамического диапазона мощности не более, чем примерно 15:1 или даже 20:1. Независимо от предъявляемых требований, в которых может подразумеваться, большинство существующих клапанов для больших динамических диапазонов мощности на практике имеют только «приблизительный» уровень точности (т.е., с заданными значениями отклонениями от 3% до 10%) по важным участкам их конкретного рабочего диапазона. Несмотря на то, что они дают номинальную точность на некоторых простых участках рабочего диапазона, такая точность, как правило, ограничивается средней или верхней половиной рабочего диапазона, обеспечивая уровни полного использования топлива и выхлопных газов, которые очень далеки от идеализированных уровней, иных, чем ожидаемых.
[0010] Таким образом, уже давно существует потребность в доступном клапане для непрерывной подачи топлива (непрерывного действия), который рассчитан на соответственную и мгновенную непрерывную подачу топлива, требуемую модулем ЕСМ, с высокой точностью по всему большому динамическому диапазону мощности, в частности в области систем подачи паров природного газа для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0011] Для специалистов в данной области техники будет очевидным то, что продуманное использование изобретения и его вариантов осуществления, изложенных в настоящем документе поможет решить вышеупомянутые и многие другие неупомянутые затруднения, проблемы, препятствия, ограничения и задачи, особенно с учетом дальнейших описаний, приведенных ниже и рассмотренных в контексте исчерпывающего понимания предшествующего уровня техники.
[0012] Настоящее изобретение раскрывает устройство для точной регулировки потока газообразного топлива для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием, создающее регулируемый поток на основе сигнала управления двигателем, который представляет мгновенный требуемый расход для потока подаваемого газообразного топлива, включает в себя
a) единый блок клапанов, определяющий впуск для потока топлива для приема потока подаваемого газообразного топлива в упомянутый единый блок клапанов, выпуск потока топлива для выпуска потока подаваемого топлива из упомянутого единого блока клапанов в двигатель внутреннего сгорания, и канал для непрерывного прохождения текучей среды от упомянутого впуска для потока топлива до упомянутого выпуска потока топлива для обеспечения непрерывного потока газообразного топлива, подаваемого к двигателю внутреннего сгорания,
b) клапан, содержащий по меньшей мере первую ступень регулирования потока газообразного топлива и вторую ступень регулирования потока газообразного топлива в пределах упомянутого единого блока клапанов, при этом упомянутая первая ступень регулирования потока газообразного топлива определяет первую часть упомянутого канала для непрерывного прохождения текучей среды, включающую в себя по меньшей мере первый проход клапана с переменным эффективным размером прохода (переменной эффективной площадью), а упомянутая вторая ступень регулирования потока газообразного топлива определяет вторую часть упомянутого канала для непрерывного прохождения текучей среды, включающую в себя по меньшей мере второй проход клапана с переменным эффективным размером прохода (переменной эффективной площадью), причем упомянутая первая часть упомянутого канала для непрерывного прохождения текучей среды располагается гидравлически после упомянутого впуска для потока топлива, но гидравлически перед упомянутой второй частью канала для непрерывного прохождения текучей среды, а упомянутая вторая часть упомянутого канала для непрерывного прохождения текучей среды располагается гидравлически после упомянутой первой части упомянутого канала для непрерывного прохождения текучей среды, но гидравлически перед упомянутым выпуском потока топлива, а упомянутая первая ступень регулирования потока газообразного топлива включает в себя привод первой ступени, и упомянутая вторая ступень регулирования потока газообразного топлива включает в себя привод второй ступени,
c) средство управления приводом первой ступени, подсоединенное для управления упомянутым приводом первой ступени упомянутой первой ступени регулирования потока газообразного топлива,
d) средство управления приводом второй ступени, подсоединенное для управления упомянутым приводом второй ступени упомянутой второй ступени регулирования потока газообразного топлива, и
e) логический контроллер, связанный с упомянутым средством управления приводом первой ступени и упомянутым средством управления приводом второй ступени,
причем
f) упомянутый единый блок клапанов включает в себя упомянутую первую ступень регулирования потока газообразного топлива, упомянутую вторую ступень регулирования потока газообразного топлива и упомянутый логический контроллер,
g) упомянутый единый блок клапанов дополнительно определяет промежуточную часть упомянутого канала для непрерывного прохождения текучей среды, при этом, упомянутая промежуточная часть находится между упомянутой первой частью и упомянутой второй частью упомянутого канала для непрерывного прохождения текучей среды,
h) упомянутая первая ступень регулирования потока газообразного топлива включает в себя электронный регулятор давления, в котором упомянутое средство управления приводом первой ступени связано с упомянутым приводом первой ступени для регулирования давления потока подаваемого газообразного топлива, в упомянутой промежуточной части упомянутого канала для непрерывного прохождения текучей среды на основании по меньшей мере, частично, состояния, определенного после упомянутого первого прохода клапана с переменным эффективным размером прохода (переменной эффективной площадью), при этом упомянутая первая ступень регулирования потока газообразного топлива способна устанавливать абсолютное давление потока подачи газообразного топлива в упомянутой промежуточной части упомянутого канала для непрерывного прохождения текучей среды, которое соответствует первой степени регулирования для упомянутой первой ступени регулирования потока газообразного топлива;
i) упомянутый привод второй ступени включает в себя быстродействующий привод, выполненный с возможностью изменения эффективной площади упомянутого второго прохода клапана с переменным эффективным размером прохода (переменной эффективной площадью) на основании по меньшей мере, частично, состояния, определенного после упомянутого второго прохода клапана с переменным эффективным размером прохода, при этом, упомянутая вторая ступень регулирования потока газообразного топлива способна устанавливать регулируемый расход потока газообразного топлива, выпускаемого из второй ступени регулирования потока газообразного топлива, который соответствует второй степени регулирования для упомянутой второй ступени регулирования потока газообразного топлива,
j) упомянутая первая степень регулирования комбинируется путем умножения со второй степенью регулирования для достижения суммарной степени регулирования расхода газообразного топлива,
k) упомянутый логический контроллер, имеющий сигнальный порт для приема сигнала управления двигателем, представляющего мгновенный требуемый расход для потока подачи газообразного топлива, и
l) упомянутый логический контроллер запрограммирован на взаимозависимую координацию работы упомянутой первой ступени регулирования потока и упомянутой второй ступени регулирования потока, изменяя приведение в действие как привода первой ступени, так и привода второй ступени и тем самым одновременно (i) достигая задросселированного потока через вышеупомянутую вторую ступень регулирования потока газообразного топлива и (ii) получая расход газообразного топлива из упомянутой второй ступени регулирования потока газообразного топлива, который соответствует мгновенно желаемому расходу газообразного топлива.
В одном из вариантов устройство дополнительно содержит датчик-преобразователь параметров потока газообразного топлива, установленный совместно с упомянутой промежуточной частью упомянутого канала для непрерывного прохождения текучей среды, при этом упомянутый датчик-преобразователь состояния потока топлива содержит датчик давления, гидравлически связанный с упомянутой промежуточной частью упомянутого канала для непрерывного прохождения текучей среды для определения давление текучей среды, протекающей через упомянутую промежуточную часть упомянутого канала для непрерывного прохождения текучей среды.
В одном из вариантов устройство дополнительно содержит датчик-преобразователь параметров потока газообразного топлива датчик-преобразователь состояния потока топлива, установленный совместно с упомянутым каналом для непрерывного прохождения текучей среды, в котором упомянутый датчик-преобразователь состояния потока топлива содержит датчик температуры, установленный в упомянутом едином блоке клапанов, для определения температуры текучей среды, протекающей через упомянутый канал для непрерывного прохождения текучей среды.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором
a) упомянутый быстродействующий привод присоединен для перемещения приводимого в действие элемента упомянутой второй ступени регулирования потока в диапазоне перемещения, который соответствует переменному диапазону упомянутой переменной эффективной площади,
b) упомянутый быстродействующий привод выполнен с возможностью перемещения упомянутого приводимого в движение элемента в упомянутом диапазоне перемещения в течение менее пятидесяти миллисекунд,
c) упомянутый логический контроллер запрограммирован на координацию упомянутого управления приводом второй ступени для его функционирования на основании состояния, определенного датчиком-преобразователем параметров текучей среды, установленным для определения состояния топлива, соответствующего потока газообразного топлива, протекающего через вышеупомянутую промежуточную часть упомянутого канала для непрерывного прохождения текучей среды между выпуском упомянутой первой ступени регулирования потока топлива до впуска упомянутой второй ступени регулирования потока топлива, причем упомянутая первая ступень регулирования включает в себя регулятор переменного давления,
d) упомянутая вторая ступень регулирования потока газообразного топлива включает в себя клапан задросселированного потока, и
e) упомянутый быстродействующий привод упомянутой второй ступени регулирования потока газообразного топлива включает в себя линейный электропривод.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором упомянутый быстродействующий привод работает с частотой 5 Гц или выше.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором указанная суммарная степень регулирования находится в интервале между 6:1 и 200:1.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором указанная первая степень регулирования находится в интервале между 1.5:1 и 4:1.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором указанная вторая степень регулирования находится в интервале между 4:1 и 50:1.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором упомянутый единый блок клапанов уплотнен с целью поддержания положительного манометрического давления 6,8 бар или больше.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором упомянутый единый блок клапанов уплотнен с целью поддержания положительного манометрического давления 23 бар или больше.
В одном из вариантов устройство дополнительно содержит датчик-преобразователь параметров потока газообразного топлива, установленный совместно с упомянутой промежуточной частью упомянутого канала для непрерывного прохождения текучей среды, в котором упомянутый датчик-преобразователь состояния потока топлива содержит датчик давления и датчик температуры, установленные в вышеупомянутом едином блоке клапанов, для определения давления и температуры текучей среды, протекающей между упомянутой первой ступенью регулирования и упомянутой второй ступенью регулирования.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором упомянутый приводимый в движение элемент соединен с датчиком положения клапана, который определяет положение упомянутого приводимого в движение элемента.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором вышеупомянутый логический контроллер запрограммирован на использование осевого положения упомянутого приводимого в действие элемента, как определено упомянутым датчиком положения клапана, для управления положением упомянутого центрального элемента клапана.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором упомянутый логический контроллер запрограммирован на управление частично на основании множества производных, в том числе
а) устанавливая требуемое давление для контура управления упомянутого органа регулирования потока газообразного топлива первой ступени, путем выбора большего из:
i) определения требуемого давление для упомянутой промежуточной части упомянутого канала для непрерывного прохождения текучей среды на основании допущения, что задросселированного потока легко достичь в упомянутой второй ступени; и
ii) увеличения требуемого давление, если данные показывают, что задросселированный поток вряд ли будет достигнут без повышения давления в упомянутой промежуточной части упомянутого канал для непрерывного прохождения текучей среды.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором упомянутая первая ступень регулирования адаптирована на регулирование давления текучей среды, поступающей в упомянутую вторую ступень регулирования потока, а регулирование потока второй ступени управляется для достижения задросселированного потока во второй ступени.
В одном из вариантов предложено устройство, где контур обратной связи включает в себя сигнал обратной связи по давлению в конце потока.
В одном из вариантов устройство дополнительно содержит поверхность тела вращения для управления потоком, прикрепленную к упомянутому приводимому в действие элементу, при этом упомянутая поверхность тела вращения для управления потоком определяет упомянутый второй проход клапана с переменным эффективным размером прохода (переменной эффективной площадью) клапана между упомянутой поверхностью тела вращения для управления потоком и соосному с ней фиксированным отверстием в упомянутой второй части упомянутого канала для непрерывного прохождения текучей среды, а упомянутая поверхность тела вращения для управления потоком выполнена радиально выпуклой.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором упомянутая поверхность тела вращения для управления потоком дополнительно включает в себя механический ограничитель, содержащий множество механических упоров, прикрепленных к упомянутому приводимому в действие элементу, для механического ограничения рабочего перемещения упомянутой поверхности тела вращения для управления потоком в направлении к соосному с ней фиксированному отверстию, при этом, первый из упомянутых механических упоров ограничивает рабочее перемещение к упомянутому отверстию, а второй из упомянутых механических упоров ограничивает рабочее передвижение от упомянутого отверстия.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором упомянутая поверхность тела вращения для управления потоком имеет ближний конец и дальний конец, и наконечник на дальнем конце, и где упомянутая радиально выпуклая форма отличается радиальной выпуклостью, при этом, упомянутая радиальная выпуклость имеет диаметр приблизительно такого же размера или больше, чем наименьший диаметр упомянутого отверстия, и упомянутая радиальная выпуклость по оси ближе к упомянутому ближнему концу, чем к упомянутому дальнему концу, а диаметр упомянутой поверхности тела вращения для управления потоком постепенно увеличивается между упомянутым наконечником и упомянутой радиальной выпуклостью.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором упомянутое отверстие является отверстием без посадочной фаски.
В одном из вариантов предложено устройство, в котором упомянутое отверстие имеет небольшое сужение на входе и небольшое расширение на выходе.
Другим объектом заявленного изобретения является логическая система управления приводами клапанов устройства регулирования потока газообразного топлива по одному из вариантов, включающая в себя процессор, выполненный с возможностью попеременного логического управления, причем упомянутое логическое управление одновременно и непрерывно определяет идеальные выходные параметры регулирования на основании измеренных состояний топлива и упомянутого расхода и как первого, так и второго взаимозависимых алгоритмов, при этом, упомянутый первый алгоритм основывается на первом наборе допущений, а упомянутый второй алгоритм основывается на втором наборе допущений, потенциально противоречащих первому набору допущений, и упомянутое переменное логическое управление выполнено с возможностью интеллектуального выбора идеальных рабочих выходных параметров управления, определенных с помощью двух упомянутых алгоритмов управления для контроля мгновенного положения упомянутых первого и второго приводов.
Настоящее изобретение позволяет осуществить также быстродействующее и высокоточное устройство управления расходом газообразного топлива в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Нашим целями является обеспечение такого устройства управления расходом в ответ на сигналы мгновенного запроса с модуля ЕСМ двигателя и в то же время соответственно обеспечивая предельною точность по большим динамическим диапазонам мощностей, несмотря на значительные колебания давления на входе, на выходе и в середине.
[0013] Без ограничения, большинство выражений по настоящему изобретению касаются двухступенчатого клапана управления потоком, который используется, чтобы получить задросселированный (или запертый) поток газообразного топлива для соответственно высокоточного расхода с заданным значением отклонения. Другие выражения по изобретению объединяют такой клапан с источником подачи топлива для удовлетворения мгновенных запросов (потребностей) двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, который работает в больших динамических диапазонах мощности. Первая ступень такого клапана обычно включает в себя электронный регулятор давления (или его аналог), вторая степень включает в себя регулируемый клапан задросселированного потока (или его аналог), и эти две ступени размещены рядом в общем блоке, вместе со встроенным микроконтроллером, который осуществляет управление блоком, на основе состояния текучей среды установленного в или вокруг обеих ступеней. Датчики-преобразователи состояния текучей среды расположены в наиболее удобном положении в гидравлической связи с камерой, полостью и т.д., которые могут рассматриваться в качестве камеры «промежуточной ступени», так как она находится в гидравлическом канале между первой и второй ступенями. Для дополнительной оптимизации, внутриблочный микроконтроллер и относящаяся к нему цепь управления объединены в единую плату печатного монтажа, которая включает в себя преобразователи, имеющие связь с камерой промежуточной ступени, между двумя ступенями. Микроконтроллер взаимозависимо координирует управление обеими ступенями клапана непрерывного действия (CFV) (клапан CFV), фактически без какой-либо внешней связи, кроме подачи электропитания и информационной связи с модулем ЕСМ двигателя.
[0014] В основном варианте осуществления, показанном в чертежах, первая ступень имеет степень регулирования (т.е. отношение величины верхней границы диапазона регулирования к величине его нижней границе) 4:1, вторая ступень имеет степень регулирования 50:1, в результате чего степень изменения рабочего диапазона мощности системы подачи топлива с клапаном непрерывного действия (клапаном CFV) составляет 200:1. В то время как менее предпочтительные степени регулирования могут быть достигнуты в пределах альтернативных вариантов осуществления (при альтернативной степени регулирования 1-й ступени 1.5:1, и альтернативной степени регулирования 2-й ступени 4:1), предпочтительные альтернативные варианты осуществления достигают суммарной степени регулирования по меньшей мере 50:1, сохраняя при этом высокоточное управление расходом (и, следовательно, управление мощностью и выхлопными газами) на обеих границах, а также по всему рабочему диапазону - т.е. достигают фактических показателей расхода при стабильном отклонении около в 1% от заданных показателей расхода.
[0015] Эти и другие аспекты настоящего изобретения также предоставляют многочисленные дополнительные преимущества, начиная от органов управления для оптимизации эффективности и выхлопных газов, и заканчивая уровнем доступности, надежности, долговечности, универсальности, а также технологичности, эксплуатации и технического обслуживания.
[0016] Возможные варианты осуществления могут быть воплощены в многочисленных различных сочетаниях и в многочисленных различных видах усовершенствованных машин, двигателей внутреннего сгорания, систем управления подачей газообразного топлива и т.д. Другие возможные варианты осуществления воплощены в способах эксплуатации и оптимизации таких машин, двигателей, систем и т.д., а также в других типах и способах. Каждый из различных многосторонних аспектов изобретения и каждая из различных сочетаний, заменителей и модификаций данных аспектов могут по отдельности предусматриваться в качестве изобретения, если рассматривать их с правильной точки зрения.
[0017] Полученные сочетания по настоящему изобретению являются не только более универсальными и надежными, но они также способны достичь большей точности, несмотря на быстро изменяющиеся условия при наличии больших динамических диапазонов мощности, чем когда-либо достигнутая точность при использовании такой простой системы. Различные варианты осуществления совершенствуют решения предшествующего уровня техники путем оптимизации надежности, технологичности, стоимости, эффективности, удобства эксплуатации, легкости ремонта, простоты приспособляемости и т.д. Несмотря на то, что варианты осуществления, приведенные ниже, даже отдаленно не предоставляют исчерпывающий перечень вариантов, настоящее изобретение описывает выбранные варианты осуществления, которые, как предполагается, способны достичь многих из основных элементов изобретения.
[0018] В соответствии со многими идеями настоящего изобретения двухступенчатый клапан управления потоком предлагается в форме, которая легко адаптируется к мощности, требуемой многочисленными применениями, и способна легко достичь предельно точного заданного значения отклонения для управления расходом топлива в пределах очень больших динамических диапазонов мощности в двигателях внутреннего сгорания. Такие клапаны управления расходом и связанные с ними системы подачи топлива фактически выходят за пределы обычных понятий и конструкций предшествующего уровня техники, и, таким образом, дают множество преимуществ и элементов новизны, которые не предполагались, не были очевидными, не предлагались, или даже не подразумевались в предшествующем уровнем техники, либо по отдельности, либо в любом их сочетании.
[0019] Во всеобъемлющем понимании, многие другие аспекты, задачи, отличия и преимущества настоящего изобретения станут очевидными для специалистов, компетентных в данной области техники, после внимательного и полного анализа нижеследующих описаний и сопроводительных чертежей с учетом предшествующего уровня техники, в пределах патентоспособности. Поэтому предполагается, что такие аспекты, задачи, отличия и преимущества также находятся в пределах объема и сущности настоящего изобретения. Однако необходимо понимать, что подробное описание и конкретные примеры, где упоминаются предпочтительные варианты осуществления изобретения, приведены только в качестве иллюстрации, так как различные дополнения, изменения и модификации в пределах объема и сущности изобретения станут очевидными специалистам, компетентным в данной области техники, из настоящего подробного описания.
[0020] Фактически настоящее изобретение безусловно определяется по одному или более пунктам формулы изобретения или группам пунктов формулы изобретения, которые приложены к материалам заявки или к уточняющим материалам, которые испрашивают приоритет по данной заявке, так как с течением времени в данные пункты могут вноситься изменения, они могут быть разделены, уточнены, переформулированы, заменены, дополнены и т.д. Несмотря на то, что соответствующий объем изобретения зависит от упомянутых пунктов формулы изобретения, эти описания, в целях удобства, иногда будут содержать ссылки на «изобретение» или «настоящее изобретение», допуская, что конкретный объем являлся абсолютно понятным на момент написания настоящего документа. Более того, множество независимых и отдельных изобретений могут быть надлежащим образом заявлены на основе материалов данной заявки так, чтобы ссылка на «изобретение» являлась динамичной ссылкой на все, что характеризуется основной формой исполнения по соответствующей патентной формуле изобретения. Соответственно, в пределах описаний этих аспектов изобретения, которые не требуются по отдельности в соответствии с окончательной формулой изобретения, такие, ссылки не должны рассматриваться как ограничение или описание варианта данного изобретения.
[0021] Соответственно изобретение в своем применении не ограничивается особенностями конструкции и конструктивных компоновочных решений, изложенными в нижеследующих описаниях или проиллюстрированными на чертежах. Наоборот, чертежи являются только иллюстративным материалом, а изменения могут вноситься в любое, что проиллюстрировано или описано, специально с упоминанием как «предпочтительное». Такие изменения могут выполняться, пока они находятся в рамках сущности изобретения. Кроме того, необходимо понимать, что фразеология и терминология, используемые в данном описании, служат для описания и не должны рассматриваться как ограничивающие факторы. Другая терминология и язык, которые описывают изобретение, варианты осуществления и функции, будут рассматриваться в соответствии с сущностью изобретения.
[0022] Изобретение предоставляет много других вариантов осуществления, применение на практике и осуществление многими другими способами. Необходимо также понимать, что многие другие альтернативные варианты осуществления, которые не указаны или не упоминаются, будут охвачены в соответствии с сущностью изобретения, которое будет ограничено только объемом формулы изобретения, которая может быть оригинальной, дополненной или измененной в данной или в любой другой заявке на патент, которая в будущем может притязать на приоритет данной заявки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0023] Различные признаки и преимущества изобретения теперь будут описываться со ссылкой на чертежи определенных предпочтительных и альтернативных вариантов осуществления, которые предназначены для иллюстрации, а не ограничения изобретения, и в которых конкретные ссылочные позиции относятся к конкретным элементам.
[0024] Фиг. 1 - структурная блок-схема, иллюстрирующая предпочтительный вариант осуществления системы подачи газообразного топлива с двухступенчатым клапаном непрерывного действия (клапаном непрерывного действия CFV) 10, соединенного с двигателем 270 внутреннего сгорания для высокоточного управления подачей газообразного топлива в данном двигателе 270 в соответствии с различными идеями настоящего изобретения.
[0025] Фиг. 2 - вид в перспективе предпочтительного клапана CVF 10 в одном едином блоке 90.
[0026} Фиг. 3 - разрез предпочтительного единого блока 90 клапана CFV 10 на фиг. 2 в секущей плоскости 3-3 на фиг. 2.
[0027] Фиг. 4А - частично покомпонентный вид в перспективе предпочтительного единого блока 90 клапана CVF 10 на фиг. 2 и 3, представленный в разобранном виде, показывающий три узла 90а, 90b, и 90с, которые объединены в единый блок 90.
[0028] Фиг. 4В - иллюстрирует покомпонентный вид альтернативного варианта осуществления предпочтительного единого блока 90 и его узлов 90а, 90b, и 90с.
[0029] Фиг. 5 - разрез в увеличенном виде первой ступени 20 клапана CFV 10, показывающий тот же вид, что и на фиг. 3, но только те части, которые составляют узел 90а единого блока 90.
[0030] Фиг. 6 - структурная блок-схема, иллюстрирующая алгоритмы управления первой ступенью 20 клапана CFV 10, в соответствии с некоторыми предпочтительными вариантами осуществления.
[0031] Фиг. 7 - разрез в увеличенном виде второй ступени 30 клапана CFV 10, показывающая тот же вид, что и на фиг. 3, но только те части, которые составляют узел 90b единого блока 90.
[0032] Фиг. 8 - структурная блок-схема, иллюстрирующая алгоритмы управления второй ступенью 30 клапана CFV 10, в соответствии с некоторыми предпочтительными вариантами осуществления.
[0033] Фиг. 9 - график, иллюстрирующий кривую расхода, которая изображает рабочие характеристики клапана CFV 10, в частности, в случае адаптации для эксплуатации с вариантом двигателя 270 мощностью 300 лошадиных сил.
[0034] Фиг. 10А, 10В, и 10С - иллюстрируют три ортогональные проекции варианта осуществления центрального элемента 125 клапана, в частности, вид сбоку, вид сверху и вид спереди, соответственно.
[0035] Фиг. 10D - подробный вид поверхности 1100 управления потоком центрального элемента 125 клапана, показывающий рабочие участки поверхности относительно отверстия 135.
ПОДРОБНЫЕ ОПИСАНИЯ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0036] Следующие примеры описаны для иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления изобретения на практике, а также определенных предпочтительных альтернативных вариантов осуществления в той мере, в которой они, в частности, были раскрыты на момент написания настоящего документа. В ходе понимания данных различных описаний предпочтительных и альтернативных вариантов осуществления, специалисты, компетентные в данной области техники, смогут лучше понять не только изобретение, но и различные пути создания и использования изобретения и его вариантов осуществления.
Формулировки, принятые при изложении
[0037] В контексте данных описаний, несколько упрощенных формулировок следует понимать как универсальные, кроме случаев, когда иное изложено в определенном контексте, либо в описании, либо в любом из пунктов формулы изобретения. Для понимания описаний, которые могут быть основными по изобретению, использование термина «или» должно предполагать значение «и/или», если явно не указано исключительно для обозначения альтернативы, или если альтернативы не являются взаимоисключающими по сути. В отношении значений величин, термин «около» может использоваться для обозначения приблизительного значения величины, как правило, значения, которое включает в себя стандартное отклонение ошибки любых конкретных вариантов осуществления, которые описываются, или которые часто используются для определения или достижения такого значения. Ссылка на один элемент, который используется с неопределенным артиклем, может обозначать «один или более», если не указано иное. Такие значения «один или более», в особенности, предполагаются, когда ссылки делаются параллельно со словами открытого типа, например, «иметь», «содержать» или «включать в себя». Аналогично этому «другой» может означать, по меньшей мере, второй или более. Другие слова или фразы могут иметь значения, либо в данном документе, либо в описании уровня техники или кратких описаниях, и данные упомянутые значения должны использоваться, если контекст не предполагает иное.
[0038] Эти описания иногда подчеркивают и обеспечивают понимание различных возможных перспектив для аргументирования того, что изобретение не ограничивается никаким конкретным вариантом осуществления, несмотря на то, что описанные альтернативы являются только выбранными примерами и не предназначены для исчерпывающей идентификации возможных альтернатив, которые могли быть известны на момент написания настоящего документа. Описания могут иногда даже устанавливать очередность уровня предпочтения некоторых альтернатив, например «наиболее» или «более» предпочтительная и т.д., несмотря на то, что такой классификации перспектив не следует уделять большое внимание, если заявленное изобретение, безусловно, не требует противоположного. Кроме того, в контексте всего изобретения, ни предпочтительные варианты осуществления, ни любые из упоминаемых альтернатив не должны рассматриваться как ограничения, если заявленное изобретение, безусловно, не требует соответствующих ограничений без какой-либо возможности дальнейших эквивалентов, признавая, что многие из отдельных элементов основной формулы изобретения могут не требоваться для нарушения в соответствии с Теорией эквивалентов США или другими соответствующими правовыми принципами. Вместе с тем, несмотря на то, что изобретение должно охватывать все возможные эквиваленты заявленного предмета, тем не менее следует также учитывать то, что один или более конкретных пунктов формулы изобретения могут не охватывать все описанные альтернативы, как может указываться в непосредственном письменном отказе от формулы изобретения во время рассмотрения дела по заявке, или путем ограничения, необходимого для сохранения достоверности конкретных пунктов формулы изобретения с учетом предшествующего уровня техники.
[0039] На момент написания настоящего документа, конструктивные и функциональные сочетания, характеризующиеся данными примерами, предположительно, представляют собой действующие предпочтительные режимы в практическом осуществлении изобретения. Тем не менее, в связи с настоящим описанием, специалисты, компетентные в данной области техники, должны уметь заполнить, откорректировать или иным способом выявить любые пробелы, ложные заявления или упрощения в данных описаниях.
[0040] Для наглядности ссылки, мы классифицировали точность заданного значения расхода топлива как «обычно точный», если его показатель стабильно составляет отклонение около 5% от требуемого расхода для всего рабочего диапазона. Если показатель отклонения стабильно составляет около 3% от требуемого расхода для всего рабочего диапазона, точность заданного значения можно классифицировать как «высокоточную». На границе диапазона, когда точность заданного значения отклонения стабильно составляет около 1% от требуемого расхода для всего рабочего диапазона, ее можно классифицировать как «чрезвычайно точную».
[0041] В рамках, когда другое не допускается специалистами, компетентными в данной области техники, относительно рабочих диапазонов, «большой» может означать диапазоны, соответствующие динамическим диапазонам мощности более чем 12:1. «Очень большой» предназначен для обозначения динамических диапазонов мощности около 50:1 и выше, и «чрезвычайно большой» относится к динамическим диапазонам мощности от 100:1 и выше.
[0042] В отношении любого клапана или привода клапана, «быстродействующий» - это термин, который, как правило, понятен специалистам, компетентным в данной области техники, и должен, в общем понимании, подразумевать то, что он был разработан для более быстрого действия или ответной реакции, чем у большинства клапанов или приводов клапана. Более ограниченное определение может быть применено к фразе в рамках непосредственного письменного отказа от формулы во время рассмотрения дела по заявке, или насколько это необходимо для сохранения действенности определенных пунктов формулы изобретения с учетом предшествующего уровня техники. Несмотря на предполагаемое более широкое значение, быстродействующие приводы, включенные в данные описания, предпочтительно используются для перемещения приводного элемента клапана по всему диапазону движения, более, чем десять раз в секунду (т.е. при более 5 Гц). С другой стороны, быстродействующие приводы, в этих описаниях, предпочтительно используются для перемещения приводного элемента клапана почти по всему диапазону движения (в частности, от 20% до 80% от хода), а если не по всему рабочему диапазону, то в течение пятидесяти миллисекунд или менее. С другой стороны, быстродействующие приводы в этих описаниях, предпочтительно работают в частотном диапазоне в 10 Гц и выше, с затуханием не более 3 дБ. Для идеальных показателей ответной реакции, наиболее предпочтительные варианты осуществления используют линейные электроприводы, которым - свойственно работать быстрее, чем с частотой 5 Гц, хотя многие другие виды приводов также могут служить альтернативой, особенно в случаях, когда конкретные элементы пункта формулы изобретения не были причиной непосредственного письменного отказа с целью требования определенных быстродействующих характеристик.
[0043] Что касается топлив, термин «текучая среда», используемый в настоящем документе, означает либо жидкость, либо газ, хотя варианты осуществления с жидким топливом предпочтительно адаптированы для испарения жидкой фазы топлива до того, как поток достигает центрального клапана CFV 10. В контексте управления расходом непрерывного потока газообразного топлива, «канал для непрерывного прохождения текучей среды» относится к перепускному каналу любого типа для текучей среды, либо определенному через трубки, каналы, камеры, перегородки, патрубки и другие сплошные перепускные каналы для текучей среды без полностью закрытых клапанов, поршней, поршневых насосов и т.д. в обычном рабочем режиме управления расходом топлива, таким образом, чтобы газообразная текучая среда смогла подаваться непрерывным потоком через канал для непрерывного прохождения текучей среды, во всех случаях, когда присутствует перепад давления, который вызывает такой поток. Однако, необходимо понимать, что канал для непрерывного для прохождения текучей среды, в данном случае, можно отрегулировать на нулевой расход за счет уменьшения до нуля полезной площади прохода, в то время как, в данном случае, канал будет по-прежнему рассматриваться как канал для непрерывного для прохождения текучей среды. Кроме того, отсутствие, в противном случае, четкого письменного отказа, эквивалентные конструкции могут быть полностью закрыты, когда не осуществляют управление расходом, а также эквивалентные конструкции могут иметь параллельные или альтернативные каналы, где один или несколько потоков могут прерываться без прерывания общего потока.
Фиг. 1 - структурная блок-схема
[0044] В структурной блок-схеме на фиг. 1 приведены три основных сегмента потока топлива, представленных для предпочтительных вариантов осуществления: (1) система 350 подачи газообразного топлива на входе, показан слева; (2) двухступенчатый клапан непрерывного действия (клапан непрерывного действия CFV) 10, изображенный в поле, обведенном толстой пунктирной линией, посредине; и (3) двигатель 270, показанный в меньшем поле, обведенном пунктирной линией, справа. Три сегмента 350, 10 и 270 соединенные, чтобы обеспечить мощность вращающегося вала для любого числа применений двигателя с системой 350 подачи топлива в качестве основного источника подачи газообразного топлива для двигателя 270, и с клапаном CFV 10 для обеспечения точного управления расходом газообразного топлива от системы 350 подачи топлива в двигатель 270, в соответствии с различными идеями настоящего изобретения.
Двигатель 270
[0045] Двигатель 270 - это двигатель 270 внутреннего сгорания с искровым зажиганием типа, который использует газообразное топливо в качестве основного источника энергии, наиболее предпочтительным типом которого является двигатель, использующий в качестве топлива природный газ (ПГ) или пары пропана (СУГ). Обычно, двигатель 270 имеет модуль 100 управления двигателя (модуль ЕСМ) ли его аналогом, который постоянно контролирует рабочее состояние различных частей двигателя 270 и его периферийных систем. Такой двигатель 270 может быть соединен с любым числом приводимых в движение устройств в альтернативных вариантах осуществления, вплоть до установки на автобусы, грузовики, вилочные погрузчики, тракторы, судна и другие транспортные средства или присоединять к портативным системам энергоснабжения, а также ко многим другим устройствам, которые, на данный момент или в будущем, будут известны в области техники благодаря приводу в движение от двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием и непрерывной подачей газообразного топлива.
[0046] Модуль ЕСМ 100 двигателя 270 соединен по линиям 281-282 передачи данных или при помощи других обычных средств с многочисленными подсистемами двигателя 270 для контроля давления, температур и рабочих состояний в или вокруг них, таким как его система обработки воздуха (которая преимущественно включает в себя турбонагнетатель и промежуточный охладитель), дроссельная заслонка 240, система зажигания, камера 280 сгорания, система охлаждения, давление масла, выхлопная система, среди прочих систем, известных в области техники. Несмотря на то, что в альтернативных вариантах осуществления могут использоваться беспроводные соединения для передачи некоторых или всех данных между модулем ЕСМ 100 и различными подсистемами двигателя 270, предпочтительные варианты осуществления модуля ЕСМ 100 подсоединены для отправки и приема аналоговых и цифровых сигналов по кабелям или другим видам линий 101, 281, 282, 282а, 282b, 371 и 381 связи. Несмотря на то, на фиг. 1 пунктирной линией представлены различные линии связи непосредственно между разными компонентами, линии 101, 281, 282, 282а, 282b, 371 и 381 связи предпочтительно объединены в виде обычной сети передачи данных, например локальной сети контроллеров («сети CAN»).
[0047] Как будет очевидно специалистам, компетентным в данной области техники, модуль ЕСМ 100 частично запрограммирован, таким образом, чтобы определять необходимый расход топлива 105 (
[0048] После выполнения управления расходом клапаном CFV 10, управляемый поток газообразного топлива от выпуска 70 клапана CFV направляется в двигатель 270, где топливо предпочтительно смешивается с воздухом 260 в смесителе 261 для получения горючей топливо-воздушной смеси 250. Воздушно-топливный смеситель 261 является предпочтительно смесителем типа Вентури или другого типа, который не задействует движущиеся детали в потоке топлива, тем самым максимально увеличивая срок службы и однородность воздушно-топливной смеси в условиях потока, который фактически подается в камеры 280 сгорания. Наиболее предпочтительно воздушно-топливный смеситель 261 выполнен в таком виде, который включает в себя кольцо форсунок горючего, которое способствует поддержанию точности управления расходом
[0049] Воздух 260 на впуске, который направлен в воздушно-топливный смеситель 261, в альтернативных вариантах осуществления может поступать с окружающей атмосферы независимо от наличия или отсутствия компенсаторов давления, даже при снижении рабочих характеристик. Тем не менее, более предпочтительные варианты осуществления используют поток воздуха 260 от системы турбонаддува, преимущественно вместе с соответствующим промежуточным охладителем. Поток воздуха 260 регулируется дроссельной заслонкой 240, которая предпочтительно является дроссельной заслонкой с электроприводом и дополнительно способствует поддержанию точной регулировки расхода, которую обеспечивает клапан CFV 10.
[0050] После того, как соответствующая воздушно-топливная смесь 250 будет образована в воздушно-топливном смесителе 261, данная смесь 250 далее будет при работе введена в камеры 280 сгорания двигателя 270 при управлении клапаном от модуля ЕСМ 100. В камерах 280 сгорания топливо-воздушная смесь 250 при работе воспламеняется искрой для осуществления рабочего сгорания.
Многоступенчатый клапан CFV 10
[0051] Двухступенчатый клапан CFV 10, подключенный к модулю ЕСМ 100 двигателя 270 по линии связи, показанной пунктирной линией 101, адаптирован таким образом, чтобы гарантировать быструю и чрезвычайно точную регулировку фактического расхода
[0052] Как дополнение к уровню техники, много клапанов регулирования расхода топлива в системах непрерывной подачи используют канал для непрерывного прохождения текучей среды, который, как правило, остается открытым во время всего активного режима работы, и в то же время клапаны регулирования управляют эффективным размером регулируемого прохода в пределах этого канала для воздействия на показатель расхода
[0053] Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения также регулируют размер по меньшей мере одного прохода 136 с целью регулировки показателя расхода
[0054] Благодаря быстрой и точной регулировке, координированной внутриблочным микроконтроллером 320, клапан CFV 10 оснащен и отрегулирован так, чтобы мгновенно достигать требований по сигналу 105 по расходу
[0055] На практике, основные операции предпочтительной двухступенчатого варианта клапана CFV 10 представлены компонентами блока, изображенными на фиг. 1. Его первая ступень 20 предпочтительно является сбалансированным по давлению электронным регулятором давления (ЭРД), который находится на выходе второй ступени 30, чтобы регулировать и понижать промежуточное давление Р2 потока, направляющегося во вторую ступень 30. Из первой ступени 20 поток топлива направляется во вторую ступень 30, которая включает в себя быстродействующий центральный элемент 125 клапан, который предпочтительно регулирует задросселированный поток через отверстие 135 постоянного сечения, и дающий чрезвычайно точный задросселированный поток, подаваемый затем с выпуска 70 клапана CFV в двигатель 270 для сгорания. Как было описано ранее, точный задросселированный поток достигается путем регулировки эффективного размера прохода 136 отверстия 135 во второй ступени 30, в то время как функционирование второй ступени взаимосвязано координируется внутриблочным микроконтроллером 320 с электронным регулятором давления первой ступени 20 для оптимизации точности заданных значений расхода во всем диапазоне регулировки, предпочтительно до чрезвычайно точного уровня.
Система 350 подачи топлива на входе
[0056] Как показано на фиг. 1, система 350 подачи топлива предпочтительно включает в себя топливный бак 360, который служит в качестве источника жидкого топлива, вместе с механическим регулятором 370 давления и другими стандартными компонентами, например, запорным клапаном 380. Запорный клапан 380 предпочтительно регулируется модулем ЕСМ 100, хотя в альтернативных вариантах осуществления может использоваться независимая регулировка. Система 350 подачи газообразного топлива выполнена и адаптирована таким образом, чтобы подавать непрерывный поток газообразного топлива на впуск 390 клапана CFV, предпочтительно при манометрическом давлении в пределах от 60 до 85 фунтов на кв. дюйм на впуске 390 клапана CFV.
[0057] Более предпочтительно, система 350 подачи газообразного топлива - это система подачи природного газа или парообразного пропана, которая подает природный газ или пропан, хранящийся в топливном баке 360. Несмотря на то, что он не показан на фиг. 1, топливный бак 360 может быть оснащен узлами для испарения и элементами управления для контроля СПГ (сжиженного природного газа) или испарения пропана, и создания давления в топливном баке 360 и подсоединенных линиях 365, 375 и 376. Такие узлы для испарения и элементы управления для контроля СПГ предпочтительно осуществляют заправку бака 360 путем предварительной циркуляции части накопленного СПГ через контур теплообменника, который повышает температуру предварительно циркулирующего СПГ до точки частичного или полного испарения, тем самым создавая паровую фазу с соответствующим напором давления в баке 360. Линия 365 предпочтительно также включает в себя второй теплообменник на выходе топливного бака 360 для последующего содействия при испарении СПГ, СУГ или пропана, как только газообразное топливо сможет подаваться от системы 350 подачи топлива к клапану CFV 10.
[0058] На выходе из теплообменника на линии 365 газообразное топливо последовательно подается через механический регулятор 370 давления, отсечный топливный клапан 380 на выходе, и быстроразъемный узел линии (не указан) перед входом в клапан CFV 10. В данном варианте осуществления начальное давление топлива обеспечивается баком 360, несмотря на то, что начальное давление из бака 360 предпочтительно регулируется механическим регулятором 370 давления, перед тем как топливо достигнет впуска 390 клапан CFV 10. Механический регулятор 370 давления способен управлять относительно высоким давлением из бака 360, а также включает в себя один или более стандартных регуляторов давления, которые используют сбалансированные по давлению мембраны для изменения эффективных размеров дроссельного отверстия, тем самым регулируя давление в пределах предпочтительного диапазона (от 60 до 85 фунтов на кв. дюйм) на впуске 390 клапана CFV. Хотя это и не критично, механический регулятор 370 давления предпочтительно включает в себя интегрированный с ним датчик давления для получения данных входного давления (т.е. эквивалент давления «P1» на впуске 390 клапана CFV) модуля ЕСМ 100 по линии 371 управления. В дополнение к, или в качестве альтернативы, датчику давления, интегрированному с регулятором 370, альтернативные варианты осуществления могут также включать в себя автономный датчик 377 давления на линии 376, который находится в гидравлической близости к впуску 390 клапана CFV, для более надежного ввода фактического давления газообразного топлива, которое поступает в клапан CFV 10. Несмотря на преимущества в отношении знания величины входного давления P1, необходимо понимать, что клапан CFV 10 может работать и не зная величины давления P1 на входе, даже с некоторыми ограничениями.
[0059] Предполагая, что все линии 365, 375 и 376 для работы герметизированы и подсоединены непосредственно к потоку топлива в линии, поток топлива от системы 350 подачи топлива в клапан CFV 10 подводится и отсекается работой механического отсечного клапана 380 в режиме Вкл/Выкл. Несмотря на то, что могут использоваться клапаны, с ручным управлением, в некоторых альтернативных вариантах осуществления, отсечный клапан 380 предпочтительно приводится в действие электродвигателем или соленоидом с помощью осуществления контроля модулем ЕСМ 100, как показано на линии управления 381, обведенной пунктирной линией на фиг. 1. Когда отсечной клапан 380 открыт, поток газообразного топлива индуцируется градиентом рабочего давления между баком 360 и впуском 390 клапана CFV. Таким образом, при открытом клапане 380, топливо сначала проходит через теплообменник и механический регулятор(ы) 370 давления, и далее топливо подается через отсечный клапан 380 во впуск 390 клапана CFV.
[0060] Несмотря на наличие узлов для испарения и элементов управления, существует потенциальная возможность прохождения парообразного природного газа или пропанового топлива, которое также содержит капли жидкой фазы СПГ или пропана, которые могут возникнуть, например, если патрубки или трубопроводы для жидких теплоносителей засоряются. Если капли СПГ или пропана остаются в потоке топлива на выходе из механического регулятора(ов) 370 давления, их последующее испарение может вызвать резкие скачки давления в клапане CFV 10, что, в определенных условиях, может привести к переполнению первой ступени 20 или других компонентов клапан CFV 10. Чтобы компенсировать возможное попадание капель СПГ или пропана на выходе из теплообменника, можно ввести в систему контур регулирования давления в промежуточном положении между регулятором(ми) 370 давления и впуском 390 в клапан CFV 10, предпочтительно на выходе из теплообменника и механического регулятора(ов) 370 давления и предпочтительно на входе любого из датчиков 377 входного давления Р1.
[0061] В случае, если блуждающие капли СПГ или пропана попадают в клапан CFV 10, несвоевременное испарение может, вероятнее всего, вызвать скачок повышенного давления на впуске 390 клапана CFV 10. В случае возникновения скачка давления, введенный контур регулировки давления предпочтительно гасит скачок давления путем обратного сброса давления к стороне впуска механического регулятора 370 давления. Некоторые альтернативные варианты осуществления решают такие случаи наличия повышенного давления путем использования сигнала входного давления P1 с датчика 377 на линии 376. В таких альтернативных вариантах, когда состояние повышенного давления фиксируется по давлению P1 датчиком 377, модуль ЕСМ 100 адаптируется для выполнения других регулировок, чтобы устранить или иным образом погасить скачок давления. Как и другие альтернативы, один или более клапанов сброса избыточного давления или перепускных обратных клапанов могут быть включенными в линию 375 и/или 376, чтобы способствовать отведению скачков испарения, которые, в противном случае, могли бы распространиться и нарушить регулировку клапана CFV 10. Точно так же скачки испарения, вызванные испарением топлива на входе механического регулятора давления, можно также выпустить в атмосферу и/или любую емкость ближе ко входу системы 350 подачи топлива.
[0062] Благодаря многосторонней стратегии регулировки скачков блуждающего давления, а именно путем подсоединения теплообменника к линии 365, а также одного или более воздушных клапанов, обратных клапанов и т.д., как описано выше, предпочтительные варианты осуществления регулируют и понижают давление на впуске 390 клапана CFV для снижения или предотвращения избыточной регулировки потока клапан CFV 10.
[0063] Топливный бак 360, как альтернатива, может быть выполнен в виде любого из общедоступных источников газообразного топлива, например, стационарных газопроводов, баллонов со сжатым газом, или других видов резервуаров для хранения сжиженных сред с элементами регулировки испарением, вместе со стандартными регуляторами давления и т.п. Предпочтительно, большинство таких альтернатив все же включают в себя некоторые виды баков 360 для хранения топлива, из которых топливо подается в клапан CFV 10 через механический регулятор 370 высокого давления, который регулирует давление в пределах необходимого диапазона для впуска 390 клапана CFV.
[0064] И опять, с механического регулятора 370 высокого давления топливо подается через топливопровод или линию 375 подачи топлива, который предпочтительно включает в себя запорную задвижку 380, как показано на фиг. На выходе из запорной задвижки 380, линия 376 подачи топлива подсоединена к клапану CFV 10 на впуске 390 топлива с клапаном CFV, и в данной точке топливо предпочтительно вводится в первую ступень 20 клапана CFV 10.
[0065] Как будет очевидно специалистам в данной области техники, линия 375 подачи топлива может также включать в себя топливный фильтр (не показан) или другие стандартные системы для контроля и/или оптимизации условий подачи топлива перед его введением в клапан CFV 10. Такие другие системы могут включать в себя, например, датчики качества топлива, подсоединенные к модулю 100 управления двигателем и/или плате 40 печатного монтажа клапана CFV 10 для прогнозирования эксплуатационных требований. Система 350 подачи топлива может также включать в себя сочетание из нескольких независимых регуляторов 370 давления (а не только один регулятор), или может включать в себя дополнительные регуляторы давления, которые могут быть интегрированы в бак 360 для хранения топлива.
[0066] Возвращаясь к наиболее предпочтительному варианту осуществления, как было показано, большая топливная система включает в себя систему 350 подачи топлива, имеющую двухступенчатый клапан CFV 10. На выходе этой большей топливной системы, подаваемый поток топлива смешивается с воздухом 260 для подачи полученной газообразной воздушно-топливной смеси 250 в двигатель 270 внутреннего сгорания. В то время как конструкция на фиг. 1 является предпочтительной, альтернативные варианты осуществления, наряду с некоторыми более общими идеями настоящего изобретения, могут, в качестве альтернативы, подавать некоторую часть или весь необходимый воздух в топливо, либо на входе в клапан CFV 10 (как предлагается альтернативно по стрелке 260' потока смешения воздуха), или, возможно, даже в середине клапана CFV 10, хотя и с соответствующими затруднениями и возможными отклонениями, учитывая, что соответствующие регулировки могут понадобиться для обеспечения подачи потока воздуха, независимо от точки, в которой он подается.
Предпочтительный единый блок 90 с клапаном CFV
[0067] На фиг. 2-4А показано объединение трех основных сборок 20, 30 и 40 клапана CFV 10 в едином блоке 90. Единый блок 90 - это жестко соединенное объединение трех алюминиевых узлов 90а, 90b, и 90с, которые, в свою очередь, включают в себя объединения еще меньших алюминиевых элементов блока, которые составляют рабочее место для основных сборок 20, 30 и 40. Узел 90а обычно включает в себя первую ступень 20; узел 90b обычно включает в себя вторую ступень 30; и узел 90с обычно включает в себя плату 40 печатного монтажа и ее внутриблочный микроконтроллер 320.
[0068] Как показано, первая ступень 20 обычно располагается над второй ступенью 30 на каждой из фиг. 2-4А. Предпочтительно единый блок 90 образован путем жесткого монтажа узлов 90а и 90с первой ступени 20 и платы 40 печатного монтажа, соответственно, к узлу 90b второй ступени 30. Как показано, в данном жестком монтаже выпуск 400 первой ступени и впуск 290 второй ступени расположены в общей полости, которая называется промежуточной камерой 300. Промежуточная камера 300 является общей промежуточной полостью между двумя ступенями 20, 30 и обеспечивает герметичную открытую полость в канале для жидкости клапана CFV 10. Таким образом, поток из первой ступени 20 напрямую переходит к впуску 460 второй ступени, хотя и герметизированной полости, таким образом, что не происходит потерь давления и топлива в блоке 90.
[0069] Как будет понятно, промежуточная камера 300 (концептуально проиллюстрирована с помощью невидимых линий на фиг. 2) образована (по меньшей мере частично) герметичным соединением между узлами 90а, 90b, 90с, которое создает объединенный единый блок клапан 90 с клапаном CFV. В дополнение к соединенному в одно целое блоку 90, сопряженные поверхности, которые окружают основные сборки 20, 30 и 40, герметизированы при помощи уплотнителей, клеевых соединений, герметиков, болтов, уплотнительных колец и т.п., необходимых для удержания внутреннего давления, превышающего максимальное рабочее давление, которое должно восприниматься клапаном CFV 10. Максимальное рабочее давление клапана CFV предпочтительно составляет по меньшей мере 85 фунтов на кв. дюйм, несмотря на то, что уплотнители и т.п. между и в самих узлах 90а, 90b, 90с предпочтительно разработаны для удерживания давления более 100 фунтов на кв. дюйм и предпочтительно до более 320 фунтов на кв. дюйм, в качестве фактора безопасности. Несмотря на то, что могут использоваться различные методы уплотнения, известные в данной области техники, крепежные винты и клеевое соединение и/или вулканизирующийся при комнатной температуре клей-герметик (RTV) являются наиболее предпочтительными для получения достаточного уплотнения между сопряженными поверхностями узлов 90а-90с.
[0070] Как показано на фиг. 2-4А, например, болты 21-24 соединяют узел 90а первой ступени с узлом 90b второй ступени с уплотнениями между ними, для обеспечения герметизации и образования промежуточной камеры 300 между двумя ступенями 20, 30. Аналогично этому болты 41-44 соединяют узел 90с с платой печатного монтажа с узлом 90b второй ступени герметически таким образом, что пространство вокруг платы 40 печатного монтажа и ее компонентов также герметизируется для предотвращения понижения давления в области платы 40 печатного монтажа в случае утечки давления в камере 300 к плате 40 печатного монтажа по отверстиям для проводов или для датчиков-преобразователей, например через отверстия 342, 343 (обозначенных на фиг. 7).
[0071] Несмотря на то, что соответствующие полимерные уплотнения четко не указаны на фиг. 2-4А, показаны кольцевые канавки 31 и 46, в которых сплошные упругие уплотнения вставляются и поддаются сжатию во время сборки. Такие уплотнения предназначены для обеспечения необходимого уровня удержания давления в промежуточной камере 300 и вокруг платы 40 печатного монтажа соответственно. Для сравнения, аналогичные эластичные уплотнения 401 и 403 показаны в альтернативном варианте осуществления на фиг. 4В, которые подходят для аналогичных кольцевых канавок 31' и 46' для аналогичных целей данного альтернативного варианта осуществления.
[0072] И в этом случае, каждый из узлов 90а, 90b, и 90с, в свою очередь, включают в себя герметические жесткие соединения меньших элементов блока. Например, как более четко видно на фиг. 5, узел 90а включает в себя основную часть 95 и крышку 96 герметически соединенные между собой болтами 25-28 (частично обозначенные на фиг. 2) таким образом, что захватывает упругое уплотнение 97 в кольцевой канавке 96а. Другие аналогичные соединения между меньшими элементами блока отображены на чертежах, каждый из которых предназначен для обеспечения необходимого уплотнения для удержания рабочего давления в пределах общего блока 90. Как будет понятно средним специалистам в данной области техники, многие другие исполнения и альтернативные материалы можно заменить в различных узлах и меньших элементах блока, которые также будут удерживать рабочее давление в жестко собранном блоке, несмотря на различные соединения и движущиеся части, для выполнения функции единого блока 90 в альтернативных вариантах осуществления.
Первая ступень 20 клапана CFV 10
[0073] В предпочтительных конструктивных исполнениях первая ступень 20 клапана CFV 10 фактически выполняет функцию электронного регулятора 330 давления, который управляется от платы 40 печатного монтажа. Первая ступень 20 включает в себя впуск 390 топлива клапан CFV и выпуск 400 топлива первой ступени. Первая ступень 20 регулирует давление на выпуске 400 первой ступени (в промежуточной камере 300) при помощи электронного регулятора давления стандартной конструкции для создания переменной полезной площади клапана 50 для системы непрерывной подачи топлива.
[0074] Как лучше видно на фиг. 5, полезная площадь клапана 50 в первой ступени 20 регулируется приводимым в действие диском 419, который является диском, сбалансированным по давлению, за счет охватывания каналов 421-423. Положение приведенного в действие диска 419 смещается и регулируется электродвижущей силой от охватывающего элемента 140. Приведенный в действие диск 419, в свою очередь, регулирует движение штока 120 клапана для регулировки положения клапана 50, который является мембранным клапаном, сбалансированным по давлению, полезная площадь которого изменяется в зависимости от осевого положения клапана 50. Сам клапан 50 является клапаном, сбалансированным по давлению, давлением на впуске от патрубка 391.
[0075] Для идеальных показателей ответной реакции, привод 420 первой ступени предпочтительно является быстродействующим приводом, предпочтительно линейным электроприводом, который обеспечивает приводное усилие на клапан 50, сбалансированный по давлению, для получения расчетных давлений на выпуске 400 первой ступени (и, следовательно, в промежуточной камере 300), в соответствии с регулировкой, обеспечиваемой платой 40 печатного монтажа.
[0076] В предпочтительных вариантах осуществления привод 420 клапана первой ступени имеет диаметр 1,75'', силу от 2 до 3 фунтов и ход 3,5 мм. Первая ступень 20 клапана CFV 10 предпочтительно имеет уравновешенную по силе мембрану 130, функционирующую в пределах геометрии седла, способную работать при степени регулирования 4:1.
[0077] По меньшей мере в одном альтернативном варианте осуществления некоторых аспектов изобретения, первая ступень 20 клапана CFV 10 также имеет патрубок (не показан) для впуска воздуха, хотя данный патрубок не является частью показанного предпочтительного варианта осуществления.
[0078] Дополнительная информация о первой ступени 20 клапана CFV 10 станет понятной по другим иллюстрациям и соответствующим описаниям, приведенным в настоящем документе, в частности со ссылкой на фиг. 5 и 6. Под управлением платы 40 печатного монтажа, в частности, под управлением алгоритмов, упомянутых как «Алгоритм первой ступени клапана CFV» 600 и нагнетательного приводного контура 450 на фиг. 1 - газообразное топливо 350 от первой ступенью 20 клапана CFV 10 подается с регулируемым давлением к выпуску 400 первой ступени.
[0079] Выпуск 400 первой ступени напрямую гидравлически связан с впуском 460 второй ступени, через свободную промежуточную камеру 300, герметизированную в пределах единого блока 90. Таким образом, регулируемый поток 351 от первой ступени 20 направляется непосредственно во вторую ступень 30 с исключением возможности внешнего воздействия.
Вторая ступень 30 клапана CFV 10
[0080] В предпочтительном исполнении, изображенном на фиг. 7, вторая ступень 30 клапана CFV 10 включает в себя быстродействующий клапан 125 задросселированного потока, который управляется от той же платы 40 печатного монтажа, что и первая ступень 20 таким образом, что обе ступени 20, 30 взаимосвязано координируются в соответствии со схемами управления на фиг. 6 и 8 (описаны далее в других разделах данных описаний). Несмотря на то, что дозвуковым или околозвуковым потоком, или его эквивалентом, можно управлять при помощи альтернативных вариантов осуществления, смоделированных на основе уравнений переходного потока, особенно предпочтительные варианты осуществления управляются с целью получения задросселированного потока со звуковой или сверхзвуковой скоростью с расходами
[0081] Вторая ступень 30 имеет отдельный впуск 460 топлива, полностью герметизированный в пределах корпуса единого блока 90 (в промежуточной ступени 300). Вторая ступень 30 имеет свой собственный выпуск 70 топлива, который одновременно является выпуском всего клапана CFV 10. Вторая ступень 30 изначально оснащена клапаном 125 непрерывного действия, установленным между его впуском 460 и выпуском 70, и который предпочтительно предназначен для получения задросселированного потока газообразного топлива через клапан в обычном рабочем режиме. Предпочтительно, сам клапан 125 непрерывного действия выполнен в виде смещаемого по оси центрального элемента 125 клапана, который при работе устанавливает поверхность 1100 управления потоком на пути движения потока с целью определения эффективного размера прохода 136 клапана между поверхностью 1100 и концентрическим с ней отверстием 135. Привод 430 (также обозначаемый как «линейный электропривод 430») клапана для управления второй ступенью 30 работает для создания переменной эффективной площади прохода 136, который непосредственно регулирует расход
[0082] Управление положением привода 430 определяется платой 40 печатного монтажа для получения необходимого расхода
[0083] На фиг. 7 показано детальный вид второй ступени 30 клапана CFV 10 в предпочтительном варианте осуществления центрального элемента 125 второй ступени клапана. В предпочтительных вариантах осуществления вторая ступень 30 клапана CFV имеет шток 115 центрального элемента, и центральный элемент 125 клапана является смещаемый по оси в пределах концентрического с ним отверстия 135 (корпуса клапана) второй ступени клапана, предназначенного для дозирования топлива во второй ступени 30. Осевое положение штока 115 центрального элемента клапана регулируется путем изменения силы тока катушки линейного электропривода 430. Для точной регулировки во время оптимизации показателей ответной реакции, шток 115 центрального элемента клапана второй ступени 30 связан с датчиком 165 положения клапана, который определяет осевое положение штока 115, независимо от баланса сил, действующих на центральный элемент клапана в отверстии 135, таким образом, что дозировка топлива контролируется и изменяется при необходимости для более оптимальной работы подсоединенного двигателя. Как показано на фиг. 1, сигнал о положении клапана с данного датчика 165 далее используется для контура 190 привода клапана, который регулирует положение центрального элемента 125 клапана относительно отверстия 135.
[0084] В предпочтительном варианте осуществления вторая ступень 30 клапана CFV 10 оснащена приводом 430, развивающего значительно большую силу, чем привод 420 для первой ступени 20. Вторая ступень 30 сама по себе также предпочтительно может достигать более высокой степени регулирования, по сравнению со степенью регулирования, обеспечиваемой первой ступенью 20. В частности, для конкретного примера, привода 430 второй ступени 30 выполнен в виде привода диаметром 3'', с силой от 8 до 12 фунтов и ходом 16 мм, несмотря на то, что место для существенных изменений в таких конкретных примерах будут очевидны для специалистов в данной области техники для большинства аспектов изобретения.
[0085] Дополнительная подробности о второй ступени 30 клапана CFV 10 станут очевидными со ссылкой на фиг. 7 и 8, а также на соответствующие описания. Привод 430 второй ступени 30 клапана CFV регулируется контуром 190 привода клапана. На фиг. 8, например, показан алгоритм управления для «Алгоритма второй ступени клапана CFV» 800 и «контура привода клапана» 190 второй ступени 30 клапана CFV. (Как и альтернативы первой ступени 20, альтернативные варианты осуществления некоторых особенностей изобретения управление второй ступенью 30 клапана CFV 10 также имеют патрубок для впуска воздуха, хотя данный патрубок не является частью показанного предпочтительного варианта осуществления.)
[0086] В предпочтительных вариантах осуществления вторая ступень 30 имеет центральный элемент 125 клапана в положении, которое смещается по оси относительно концентрического с ним отверстия 135 клапана под рабочим воздействием привода 430. Форма поверхности 1100 управления потоком клапана 125 разработана так, чтобы вторая ступень 30 могла дозировать топливо, проходящее через отверстие 135 таким образом, чтобы обеспечить стабильную точность заданного значения отклонения по всему рабочему диапазону клапана CFV 10. Осевое положение штока 115 центрального элемента клапана регулируется путем изменения силы тока в обмотке линейного электропривода 155. Для точной регулировки во время оптимизации быстроты действия, шток 115 центрального элемента клапана второй ступени 30 клапана CFV взаимодействует с датчиком 165 положения клапана, который определяет осевое положение штока 115, независимо от баланса сил, воздействующих на центральный элемент клапана в отверстии 135, таким образом, что дозировка топлива контролируется и изменяется, при необходимости, для более оптимальных рабочих характеристик подсоединенного двигателя. Как показано на фиг. 1, сигнал о положении клапана от данного датчика 165 далее используется для контура 190 привода клапана, который регулирует положение клапана 125 относительно отверстия 135.
Плата 40 печатного монтажа
[0087] Для дальнейшей оптимизации, внутриблочный микроконтроллер 320 и соответствующая схема управления предпочтительно объединены в единую плату 40 печатного монтажа (также показанную на фиг. 4А), которая включает в себя датчики-преобразователи, имеющие связь с промежуточной камерой 300 между двумя ступенями 20, 30. Внутриблочный микроконтроллер 320 платы 40 печатного монтажа подключен по каналу 101 передачи данных для получения сигнала передачи данных 105 расхода
[0088] Ссылаясь на фиг. 1, плата 40 печатного монтажа содержит микроконтроллер 320, которым может быть любым имеющимся в продаже микроконтроллером с памятью, которая воспринимает машиночитаемый код т.е., программное обеспечение. Микроконтроллер 320, являющийся «мозгом» клапана CFV 10, получает сигналы давления с датчика 331 давления, сигналы температуры с терморезистора 340, сигналы о положении клапана с датчика-преобразователя 165 положения клапана, и сигналы управления с электронного модуля (ЕСМ) 100 управления и выдает команду о давлении и положении клапана в первую 20 и вторую 30 ступени клапана CFV 10 соответственно.
[0089] Терморезистор 340 - это стандартный терморезистор, который измеряет температуру при помощи наконечника и имеет проволочные выводы, которые идут к наконечнику от основания 341, хотя и другие типы датчиков температуры (или даже датчиков и т.д. для измерения характеристик жидкости, кроме температуры) также можно рассматривать для использования в качестве альтернативы для одних и тех же целей. В предпочтительных вариантах осуществления обратная связь по оптимальному состоянию текучей среды может быть получена путем установки наконечника датчика терморезистора 340 непосредственно в промежуточной камере 300, в то время как основание 341 терморезистора 340 припаяно непосредственно к плате 40 печатного монтажа. Обращаясь к фиг. 7, несмотря на то, что плата 40 печатного монтажа находится сзади показанных поверхностей 302 узла 90b, определяющего промежуточную камеру 300, чувствительный наконечник терморезистора 340 немного заходит в камеру 340 через соответствующим образом расположенное отверстие 342 датчика на боковой стенке камеры 300. В одном варианте осуществления датчик-преобразователь 330 давления имеет диапазон абсолютного давления от 0 до 100 фунтов на кв. дюйм, а терморезистор 340 имеет диапазон измерения температуры от -40°С до +125°С.
[0090] Датчик-преобразователь 331 давления - это стандартный датчик давления, хотя нестандартные датчики-преобразователи (или даже датчики и т.д. для измерения характеристик текучей среды, кроме давления) также можно рассматривать для использования в качестве альтернативы для одних и тех же целей. Датчик-преобразователь 331 давления предпочтительно должен быть такого типа, чтобы он мог устанавливаться на панель управления и иметь жесткий трубчатый соединитель (иногда называемый «дымоходом»), который выходит из основания, и через который датчик-преобразователь получает доступ к давлению, которое необходимо измерять. В предпочтительном варианте осуществления обратная связь по оптимальному состоянию текучей среды получена с датчика-преобразователя 331 путем установки наконечника 330 из его дымохода (или из трубки, как альтернатива) при прямом контакте текучей среды с промежуточной камерой 300, в то время как основание датчика-преобразователя 331 крепится непосредственно на плате 40 печатного монтажа. Снова обращаясь к фиг. 7, наконечник 330 дымохода выходит из платы 40 печатного монтажа (не показан, но находится сзади показанных поверхностей узла 90b) через соответствующим образом расположенное отверстие 343 датчика-преобразователя на боковой стенке 302 камеры 300. Чтобы свести к минимуму засорения наконечника 330 или других загрязнений датчика-преобразователя 331, отверстие 343 предпочтительно находится в боковом отсеке 301 промежуточной камеры 300 и закрывается перегородками или подобными приспособлениями, которые используются для предотвращения загрязнений.
[0091] Корпус 90с процессора вмещает внутриблочный микроконтроллер 320 и связанные компоненты схемы отдельной платы 40 печатного монтажа для центрального управления всеми основными функциями клапана CFV 10. В то время как электрические провода и т.д. от платы 40 печатного монтажа заходят в или находятся близко к герметичной промежуточной камере 300, плата 40 печатного монтажа подобным образом предпочтительно герметизируется в пределах выделенного пространства 300, созданного внутри единого блока 90 клапана CFV, и которое лучше всего видно на фиг. 4А и 4В. Для дополнительной защиты платы 40 печатного монтажа, она не только локально установлена при помощи крепежных болтов 310, но также и герметизирована и капсулирована в выделенном пространстве. Такая герметичная интеграция обеспечивает оптимальное управление и позволяет свести к минимуму воздействие внешних искажений и других факторов, которые тем или иным образом могут воздействовать на ее функционирование.
[0092] В целях регулировки потока подачи, датчик-преобразователь 330 давления и стандартный датчик 340 температуры контролируют давление и температуру топлива в промежуточной камере 300, которая находится между первой 20 и второй 30 ступенями.
[0093] На протяжении всего процесса, выполняемого внутриблочным микроконтроллером 320, варианты осуществления настоящего изобретения решают давно назревшие нерешенные проблемы в промышленности благодаря инновационным подходам, которые способны преодолеть многие ограничения и проблемы в данной области техники. В соответствии со многими идеями настоящего изобретения, промышленность имеет возможность предоставлять решения, реализованные в виде регулирующих систем с двухступенчатым регулирующим клапаном непрерывного действия, который легко адаптируется к потребляемой мощности многочисленных применений и способна легко достичь предельной точности заданных значений для регулировки потока топлива в пределах очень больших динамических диапазонах мощности в двигателях внутреннего сгорания.
Фиг. 4В - Сравнимый альтернативный вариант клапана CFV 10'
[0094] На Фиг. 4В показан сравнимый альтернативный вариант осуществления клапана CFV 10 в виде клапана CFV 10'. Клапан CFV 10' сконструирован и функционирует почти так же, как и клапан CFV 10 таким образом, что одинаковые компоненты каждого из них обозначены одинаковыми позициями, но с добавлением символа ['] для компонентов клапана CFV 10'. Как и в случае с блоком 90 клапана CFV 10, единый блок 90' клапана CFV 10' включает в себя жестко соединенное объединение трех узлов 90а', 90b' и 90с'. На фиг. 4В альтернативный вариант осуществления клапана CFV 10' показывает уплотнения 401 и 402. Уплотнение 401 герметически охватывает соединение между узлом 90а' первой ступени и узлом 90b' второй ступени. Уплотнение 402 подобным образом охватывает соединение между узлом 90с' платы печатного монтажа и узлом 90b'. Полученные соединения образуют единый блок 90' - герметичный целостный корпус для внутренних компонентов клапана CFV 10. В одном варианте осуществления клапан CFV 10' также может выдерживать внутреннее давление по меньшей мере в 320 фунтов на кв. дюйм. Микроконтроллер 320' и связанные схемы предпочтительно устанавливаются на отдельной плате 40' печатного монтажа для управления всеми основными функциями клапана CFV 10'.
[0095]] В едином блоке 90' провода 403 и 404 выходят из платы 40' печатного монтажа в узле 90с' к приводам 420 и 430 в узлах 90а' и 90b', соответственно, для рабочего подсоединения различных компонентов клапана CFV 10'. В частности, провода 403 и провода 404 могут соединять компоненты единого блока 90' с другими его компонентами. Провода 403, в частности, оснащены отдельным каналом 291' (с соответствующим каналом, определенным как 291 на Фиг. 4А), отделенным от камеры 300' (как указано при помощи разделенного уплотнения 401а и сопряженной стенкой узла 90b' на фиг. 4В) для подсоединения платы 40' печатного монтажа к приводу 420'. Провода 404 точно так же подсоединяются через отдельный канал в узле 90b'.
Алгоритм управления первой ступени
[0096] Обращаясь перекрестно к блок-схеме на фиг. 1 и древовидной логической схеме первой ступени на фиг. 6, привод 420 первой ступени 20 клапана CFV 10 управляется контуром 450 нагнетательного привода, который управляется согласно алгоритму управления первой ступени, показанному на фиг. 6. На фиг. 6 показана структурная блок-схема алгоритмической стратегии управления для определения команды 470 давления (Pcmd), которое является заданным давлением контура 450 нагнетательного привода для первой ступени 20 клапан CFV 10.
[0097] Несмотря на то, что алгоритм стратегии первой ступени и алгоритм стратегии второй ступени должны быть достаточно понятными специалистам, компетентным в данной области, после внимательного изучения чертежей с учетом других аспектов данного описания, некоторые дальнейшие уточнения также могут быть полезными. Как правило, для изображения предпочтительных алгоритмов, как на фиг. 6, так и на фиг. 8, были использованы повторяющиеся общие обозначения. Некоторые из таких обозначений являются полнозначными словами с общими значениями, например: «воздух» означает воздух, «коэффициент» означает коэффициент между двумя значениями данных. Несмотря на то, что «CAN» технически является аббревиатурой от локальной сети контроллеров, ссылка «CAN» является широко используемым техническим термином, который обозначает сеть CAN или, точнее, в контексте фиг. 6 и 8, данные, полученные по сети CAN.
[0098] В этой связи, необходимо понимать, что, несмотря на то, что сеть CAN является предпочтительной линией связи для передачи всех команд, переменных и других данных, полученных по линии 101 контроллером 320 клапана CFV извне клапана CFV 10, беспроводные средства связи, аналоговые сигналы, цифровые сигналы, или другие средства связи могут использоваться в качестве альтернативы, одновременно охватывая многие аспекты настоящего изобретения.
[0099] Общие или легко понятные аббревиатуры также используются в чертежах. В частности, на фиг. 6 и 8, кроме случаев, когда конкретные ссылки можно далее классифицировать иным образом: «mdot» означает массовый расход; «Cmd» означает команду; «nrm» означает нормированное значение для конкретной переменной, которое является долей полной шкалы данной переменной; «FS» означает полную шкалу или скалярный множитель, на который умножается нормированное значение для получения фактического значения по соответствующей переменной; «Pos» означает положение, например положение клапана или его привода; «Tgt» означает заданную величину, например в заданном значении для эффективной площади клапана, выражаемой как «AEffTgt»; «lp» означает фильтр нижних частот, или переменную, которая была профильтрована через фильтр нижних частот; «ck» означает теоретические уравнения задросселированного потока; «SQRT», как правило, обозначает математическую функцию квадратного корня, которая более подробно будет описана далее в контексте теоретических уравнений задросселированного потока; «Aeff» означает эффективную площадь отверстия конкретного клапана; «TAEff» означает табличное значение AEff для конкретных условий; «max» означает максимум для переменной; «Т» означает температуру (за исключением контекста TAEff); «Р» означает давление; a «dis» - это сокращение от «дальний», отражающий тот факт, что сигнал 520 давления Р3 в предпочтительном варианте осуществления обозначает измерение давления за клапаном с впуска двигателя 270.
[0100] В частности, «SQRT_ck_T_air» 570 рассчитывается на основе показателя адиабаты «gamma» - постоянной для топлива (которая часто обозначается как «k») в отношении температуры, измеренной датчиком 340 температуры (позиция на фиг. 7). Исходя из настоящих целей, стратегия управления предполагает, что mdot по сути соответствует классическому теоретическому уравнению:
mdot=Aeff*P*(SQRT_ck_T).
В данном выражении, "SQRT_ck_T" 480 является корнем квадратным из
{M/RT*gamma*{[2/(gamma+1)]^[(gamma+1)/(gamma-1)]}}.
Здесь и в нескольких других выражениях 490, 492, 493 и 494, «Aeff» (или «AEff») является эффективной площадью конкретного клапана 20 или 30. Естественно, что эффективная площадь (Aeff) конкретного клапана 20, 30 отвечает положению соответствующего клапана 20, 30 и/или его привода, которое, в свою очередь, во многом зависит от сигнала команды, отправленного на привод для соответствующего клапана 20, 30.
[0101] Центральное место в стратегии управления на фиг. 6 занимает выбор «Мах» 590, которое позволяет большему из двух заданных значений 575, 550 давления быть заданной величиной для фактического контура управления нагнетательного привода 450. Первое заданное значение («PcmdTgt1») 550 давления определяется на основе допущений и соотношений, принятых во время выполнения первого из двух основных расчетов 505, 510 (первый расчет 505 показан справа на фиг. 6). (в соответствии с классическим теоретическим уравнением для массы расхода PcmdTgt2 550 рассчитывают по разделу работы 559 путем деления mdotCmd lp 558 на AeffT gt (SORT ck T) 494. Аналогично, второе заданное значение давления («PcmdTgt2») 575 определяется на основе допущений и отношений, принятых во время выполнения второго из двух основных расчетов 505, 510 (второй расчет 510 показан в нижней левой четверти фиг. 6). Когда регулировка выполняется по первому расчету 505, он создает Pcmd 470 на основе допущений, чтобы можно было легко достичь задросселированного потока при номинальном положении клапана 125 во второй ступени клапана 30; в то время как второй расчет 510 из двух расчетов 505, 510 (второй расчет приведен слева на фиг. 6) увеличивает Pcmd 470, если имеющиеся данные означают, что задросселированный поток менее вероятно будет без повышенного давления Р2 в промежуточной камере 300.
[0102] Чтобы препятствовать ситуации, в которой предварительно заданное обусловленное промежуточное давление Р2 вероятнее всего не будет обеспечиваться для получения задросселированного потока во второй ступени 30, второй расчет 510 из двух расчетов 505, 510 (второй расчет 510 приведен слева на фиг. 6) строит дедуктивные выводы на основе сигнала давления за клапаном, обозначенного как «Р3''» или «Pdis» в выражениях 520, 530 и 571. Точка Р3 данных представляет давление топлива на выпуске 70 клапан CFV 10, которое аппроксимировано по давлению Pdis в предпочтительном варианте осуществления, как показано в чертежах. Предпочтительно точка данных Pdis получена по линии 101 сети CAN в качестве сигнала 520 передачи данных с модуля ЕСМ 100. Конкретный сигнал давления, рассматриваемый как сигнал (Pdis_nrm) 520 - это фактическое определение давления за клапаном на основе датчиков 521 ТМАР и/или TIP в двигателе 270. Основываясь на данных, собранных с датчика 521 (или его альтернативы), модуль ЕСМ 100 аппроксимирует давление на выпуске клапана CFV 70. Как отражено в mdotCmdFS 555 (как и при любом другом «FS» 555, 530 на фиг. 6 и 8), алгоритмическая стратегия далее делает данные mdotCmd_nrm 560 ненормированными путем их умножения на полную шкалу (а, значит, «FS») для получения фактического значения для Pdis 571. В свою очередь, данное значение Pdis 571 можно использовать в качестве приблизительного значения для аппроксимации вероятного давления топлива, подаваемого клапаном CFV 10 на выпуске 70 клапана CFV. Затем, путем сравнения давления 571 с предварительно заданным Pratio 540, который является характерным для клапана 125 второй ступени, заданное значение давления (Pcmd) 470 первой ступени пропорционально увеличивается (т.е. делится на Pratio 540) для того, чтобы гарантировать, что давление в промежуточной камере 300, в целом, достаточно высокое.
[0103] Снова обратимся к первому расчету 505 из двух расчетов (первый расчета 505, находящийся с правой стороны) на фиг. 6, первый расчет 505 определяет заданное значение PcmdTgt1 550 в первой ступени 20 на основе допущения, что задросселированный поток будет легко достигнут во второй ступени 30 клапана CFV 10. Хотя стратегия первого расчета должна быть понятной из чертежей, полезно понимать что "TAEffTgtNrm" 565 относится к поиску в таблице (следовательно, "Т-" является префиксом) для наилучшего номинального значения эффективной площади первой ступени 20 клапана CFV, которое должно быть задано, чтобы достичь конкретного расхода «mdot» 105, требуемого модулем ЕСМ 100. Не смотря на то, что различные таблицы и алгоритмы могут использоваться для определения «TAEffTgtNrm» 565, эмпирическая таблица используется в предпочтительном варианте осуществления, который предопределен, предпочтительно на основании испытаний, применимым к характеристикам клапанов каждой отдельной первой ступени 20. Для большей ясности одна такая таблица для конкретного дубликата клапана CFV 10 предоставлена ниже, где номинальные контрольные значения для AeffTgt_nrm (%) 565 (с правой стороны таблицы) установлены на основании mdotCmd_nrm 560 (с левой стороны таблицы):
[0104] Из AeffTgt_nrm 565, определенного в соответствии с такой таблицей, этот поиск 565 в нормализованной таблице затем соответствующим образом нормируется для конкретного используемого топлива (путем факторизации в коэффициенте переменных SQRT_ck_T для воздуха 570 по конкретному топливу 480, 580, которое используется) и для максимальной эффективной площади 492 для используемой первой ступени 20. Результат факторизации в коэффициенте SQRT_ck_T и максимальном Aeff увеличивает соответствующий расчетный уровень давления на основании допущений по задросселированному потоку заданных mdotCmd_nrm 560, который дает число PcmdTgt1 550, отображенное с правой стороны 505 фиг. 6. Не смотря на привлечение математики, необходимо в полной мере понимать, что при температуре Т2, измеренная тепловым датчиком 340 в промежуточной камере 300 («Т»), используется микропроцессором 320 платы 40 печатного монтажа на различных этапах алгоритма регулировки для контроля как для первой ступени 20, так и для второй ступени 30.
[0105] Следовательно, оптимальный уровень Pcmd 470 регулируется в месте слияния «Мах» 590 на блок-схеме алгоритмов фиг. 6. В зависимости от того, что больше при эксплуатации, плата 40 печатного монтажа отправляет определенное значение Мах Pcmd 470, 590 в контур 450 нагнетального привода первой ступени клапана CFV 10, чтобы достичь такого давления на выходе 400 первой ступени 20 в процессе управления контуром 450 нагнетального привода первой ступени 20 клапана CFV 10. Понятно, что контур 450 нагнетательного привода - это стандартный контур обратной связи по давлению, который регулирует работу привода 420 клапана в функциональной зависимости управления с обратной связью с целью обеспечения того, что Max Pcmd 470, 590 на самом деле производится в промежуточной камере 300 как подтверждено датчиком 331 давления платы печатного монтажа, который находится в прямой гидравлической связи с отверстием 343 измерения давления в промежуточной камере 300.
Алгоритм регулировки второй камеры
[0106] Дополнительная информация о второй ступени 30 клапана CFV 10 можно получить из чертежей и соответственных описаний, представленных в настоящем документе, в частности на основании фиг. 7 и 8. Под управлением платы 40 печатного монтажа, в частности, под управлением алгоритма, представленного как «Алгоритм клапана CFV второй ступени» (на фиг. 8) и «Контур клапана второй ступени» 190 на фиг. 1 - газообразное топливо 610 из второй ступени 30 клапана CFV 10, которая находится в гидравлической связи с двигателем 270, подается при регулируемом расходе
[0107] Во второй ступени 30 плата 40 печатного монтажа управляет положением центрального элемента 125 клапана и его поверхностью 1100 управления потока на основании Р2 и известных характеристик потока второй ступени 30 по отношению к его смещению, как показано на фиг. 9. Под управлением платы 40 печатного монтажа фактический расход
[0108] В предпочтительном варианте осуществления, центральным элементом 125 клапана является удлиненный элемент клапана с центральной продольной осью 126. Центральный элемент 125 клапана расположен во второй ступени 30 соосно с приводом 430 и с отверстием 135 таким образом, что он может свободно двигаться в направление к и от отверстия 135 под управляемой работой привода 430. Центральный элемент 125 клапана отличается поверхностью 1100 управления потоком, конец которой находится в камере 300, приводным основанием 115, противоположно направленным от оси 115 центрального элемента на конце, и конструкцией механического ограничителя 1200, расположенного между ними. Центральный элемент 125 клапана имеет активную поверхность 1100 управления потоком в форме тела вращения. Поверхность 1100 в форме теля вращения поскольку обычно имеет поверхность вращения. Эта поверхность вращения предпочтительно является вращением вокруг оси образующей профиля видимой на фиг. 10D, при вращении вокруг центральной продольной оси 126 центрального элемента 125 клапана. Поверхность 1100 управления потоком играет роль в регулировании расхода и давления газообразного топлива, как описано ниже.
[0109] На фиг. 8 показана блок-схема алгоритма 800 управления для определения команды положения клапана (V_PosCmd) 620 для отправки в контур 190 привода клапана во второй ступени 30 клапана CFV 10. В связи с тем, что алгоритм 600 первой ступени взаимозависит от второй ступени в управлении промежуточным давлением Р2, алгоритм 800 для второй ступени кажется относительно простым. Как показано на блоке диаграммы AeffCmd 803 определяют основываясь на mdotCmd_lp 558, которая определяется на основании значения mdotCmd_nrm 560 фиг. 6, после учета полномасштабного множителя 555 для определения mdotCmd 556 и фактора фильтра 557 нижних частот. Зная mdotCmd lp 558, эта переменная команды делится на участке работы 802 на P3*(SQRT_ck_T) 594 для того, чтобы найти (рассчитывается по многофункциональной работе) необходимую эффективную площадь AeffCmd 803 для второй ступени 30. Исходя из необходимой эффективной площади AeffCmd 803 команда положения клапана для клапана 125 таким образом определяется из справочной таблицы TAeffCmd 804. Данная таблица 804 в предпочтительном варианте осуществления является эквивалентом данных кривой 900 расхода, показанной на фиг. 9. Полученная в результате команда положения V_Pos_Cmd 620 направляется в контур управления приводом второй ступени 190 для воздействия на соответствующее мгновенное положение клапана 125 относительно отверстия 135. В условиях предпочтительных вариантов осуществления второй ступени 30 клапана CFV можно достичь расхода
Рабочие давления
[0110] Хотя должно быть понятно, что адаптации могут быть выполнены для других входных условий, давление в линии 376 подачи на входе 390 клапана CFV предпочтительно регулируются с помощью механического регулятора 370 давления на 60 фунтов на квадратный дюйм (74,7 фунтов на квадратный дюйм абсолютного давления) или более предпочтительно в диапазоне от 60 до 85 фунтов на квадратный дюйм. Для сравнения, максимальное давление выпуска для клапана CFV 10 предпочтительно контролируется, чтобы не превысить 41,7 фунтов на квадратный дюйм абсолютного давления, что, обычно, позволяет контролировать соотношение критического давления, равное около 0,558 или меньше для клапана CFV 10 и, в то же время, позволяет поддерживать большие динамические диапазоны мощности.
[0111] В едином блоке 90 клапан CFV 10 плата 40 печатного монтажа также контролирует промежуточное давление Р2 и температуру Т2 в промежуточной камере 300, которая соединяет две ступени 20 и 30. Клапан CFV 10 затем регулирует промежуточное давление Р2, используя электронный регулятор обратной связи по давлению, чтобы мгновенно достичь определения Pcmd в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг. 6, которое, при условии, что предпочтительная степень регулирования первой ступени составляет 4:1, обычно регулируется в диапазоне от 15 фунтов на квадратный дюйм (1/4 от 60) до 85 фунтов на квадратный дюйм.
[0112] Предпочтительные способы управления клапан CFV 10, достигаются также в зависимости частично от фактических или ожидаемых состояния текучей среды потока топлива, выходящего из выпуска 70 клапана CFV 10. Хотя другие способы определения или оценки состояния текучей среды на выходе рассматриваются в рамках определенных изменений изобретения, представленные варианты осуществления определяют изменения также от датчика 521, контролирующего давление за клапаном (обозначенное как "Р3" для целей этого документа), которое контролируется модулем ЕСМ 100 и для которого сигнал 520 репрезентативных данных, постоянно доступен от модуля ЕСМ 100 (или от сети передачи данных, связанной с модулем ЕСМ 100). Конкретное значение Р3 сигнала 520 передачи данных предпочтительно представляет любой имеющийся поток данных от двигателя 270, характерный для предкамерного давления топлива в двигателе 270. Как изображено, предпочтительным датчиком 521 после клапана является обычный сенсорный модуль ТМАР, расположенный во впускном воздушном патрубке 262 двигателя после дроссельной заслонки 240 с электроприводом. В дополнение к или в качестве альтернативы обычному датчику ТМАР 521, данные после клапана также могут быть получены от обычного сенсорного модуля TIP перед дросселем 240. Опять же, другие альтернативные варианты осуществления могут также включать в себя автономный датчик давления (не показан) непосредственно на впуске 272 в двигатель 270, а также другие альтернативные варианты осуществления вместо этого базируются на данных после клапана, измеренных непосредственно в линии подачи топлива, выходящей на выпуск 70 клапан CFV, для получения достоверных данных о фактическом давлении газообразного топлива, выпускаемого из клапана CFV 10. Несмотря на преимущества получения данных о давления Р3 на выпуске клапана для более предпочтительных вариантов осуществления, необходимо понимать, что менее предпочтительные альтернативные варианты клапана CFV 10 могут функционировать без значения давления топлива Р3 на выпуске клапана, хотя они требуют дополнительных настроек и компромиссных решений.
Варианты регулировки расхода в зависимости от положения клапана второй ступени
[0113] Фиг 9 - это график, иллюстрирующий кривую 900 расхода клапана CFV 10. Основная кривая 900 иллюстрирует предполагаемую кривую расхода для второй ступени 30, когда вторая ступень 30 адаптирована для использования с двигателем 270, мощностью 300 лошадиных сил. Для удобства изображения, хотя давление Р2 в промежуточной камере 300 изменяется под контролем внутриблочного микроконтроллера 320 в нормальных условиях эксплуатации, кривая расхода 900 показывает отношение расхода
[0114] График кривой 900 потока, прежде всего, иллюстрирует взаимосвязь между расходом m топлива (в граммах в секунду), выходящего из клапана CFV 10 на основе контролируемого положении центрального элемента 125 клапана второй ступени, где это контролируемое положение клапана второй ступени характеризуется его продольным перемещением (или «ходом» в миллиметрах) от полностью закрытого положения, когда клапан 125 практически касается круглого отверстия 135, когда предотвращение такого касания обеспечивается механическим ограничителем 1200. По сравнению с отображением непрерывной линией открытого положения клапана 125 относительно отверстия 135 на фиг. 10D, полностью закрытое положение клапана 125 также показано пунктирной линией 135' (хотя следует понимать, что клапан 125 перемещается по отношению к отверстию 135 при фактической эксплуатации, а не отверстие 135 перемещается по отношению к клапану 125).
[0115] Как представлено кривой 900, поверхность 1100 управления потоком второй ступени 30 была сформирована, чтобы изменять полученный результирующий расход
[0116] Для сравнения, фиг. 9 показывает полный диапазон «хода» от 0,0 мм с левой стороны до около 15,5 мм с правой стороны, как показано вертикальной пунктирной линией 920. Три другие пунктирные вертикальные линии 921, 922 и 923 хода также показаны для того, чтобы отметить промежуточный полный диапазон, где линия 921 соответствует половине полного диапазона хода (т.е. примерно 7,7 мм) и линия 922 соответствует двум третям общего диапазона хода (т.е. примерно 10,3 мм). Четыре пунктирные горизонтальные линии 930-933 соответствуют расходу в точках 910-913, которые соответствуют четырем пунктирным вертикальным линиям 920-923 соответственно. В то время как максимальный расход 930 составляет приблизительно 17,6 г/с на фиг. 9, пунктирная горизонтальная линия 933 соответствует половине этого расхода или приблизительно 8,8 г/с.
[0117] Хотя характеристики кривой 900 потока могут быть выведены из дополнительных наблюдений формы кривой 900, в настоящее время несколько характеристик являются особенно важными для обеспечения желаемой пропускной способности (рабочей характеристики) клапана CFV 10. Например, кривая 900 имеет относительно небольшие наклоны (т.е. изменение расхода в соответствии с изменением хода) в нижней четверти диапазона его хода и, действительно, во всей нижней половине диапазона его хода, по сравнению с наклонами или средним наклоном на остальной части диапазона его хода. Такие относительно небольшие наклоны позволяют заданным значениям точности быть сопоставимы в этих нижних диапазонах по сравнению с заданными значениями точности в верхних диапазонах хода.
[0118] Также надо отметить, что кривая 900 потока обычно идет вверх (т.е. растет экспоненциально) в нижней половине диапазона хода (слева от линии 921), а на самом деле, как правило, идет вверх в нижних двух третьих диапазона хода (слева от линии 922). Соответственно наибольшие наклоны кривой 900 (т.е. наибольшие изменения в расходе в соответствии с изменением хода) предпочтительно находятся в верхней половине диапазона хода (т.е. половина, где центральный элемент клапана смещается дальше в направлении от отверстия 135). Такие наибольшие наклоны кривой 900 наиболее предпочтительно находятся где-то в верхней трети этого диапазона хода или, как показано на фиг. 9, около двух третьих от общего диапазона рабочего хода. Форма кривой 900 потока (и эквивалентных кривых) позволяет заданным значениям точности быть сопоставимыми как в верхнем, так и нижнем диапазонах хода.
[0119] И наконец, следует отметить, что, как отображено в точке 913 на кривой 900, половина общего расхода
[0120] Каждый отдельный клапан CFV 10 может, в общем, характеризоваться своим максимальным расходом
[0121] Специалистам в данной области техники также необходимо иметь ввиду, что кривые с формой, схожей с кривой 900 (хотя и с различными диапазонами расхода), могут быть получены в результате изменения конкретной модели клапана CFV 10 для достижения более высокого максимального расхода, как это будет в случае с двигателями, имеющими большее количество лошадиных сил. Чтобы построить подобные кривые для различных диапазонов мощности и/или различных приложений, вторая ступень 30 моделируется для конкретного промежуточным давлением, которое с большой вероятностью является достаточным для этого диапазона и/или применения. Например, чтобы адаптироваться к варианту с 300 лошадиными силами, характерному для кривой 900 потока, вторая ступень 30 моделируется для достаточно высокого значения промежуточного давления Р2, которое предполагается заранее определенным в диапазоне приблизительно от 225 до 300 кПа для кривой 900. Для меньшего диапазона мощности, кривая будет очень похожей на кривую 900, хотя максимальный расход
Механический ограничитель 1200
[0122] Механический ограничитель 1200 элемента 125 клапана находится между штоком 115 привода и его активной поверхностью 1100 управления потоком. Механический ограничитель 1200 состоит из двух радиально расположенных противоположных стопоров 1200а и 1200b, обращенных к дальнему концу центрального элемента 125 клапана, и один кольцевой упор, обращенный к штоку 115 привода в обратном направлении. Механические упоры 1200а и 1200b ограничивают осевое перемещение поверхности 1100 управления потоком в отверстие 135, а кольцевой упор 1200с ограничивает осевое перемещения поверхности 1100 управления потоком в противоположном направлении, в направление от отверстия 135.
[0123] Как показано, механические упоры 1200а и 1200b, предпочтительно устанавливаются на наружные поверхности, обращенные в направлении к дальнему концу, крылообразных выступов, которые проходят в радиальном направлении от противоположных сторон центрального элемента 125 клапана. Крылообразные выступы механических упоров 1200а, 1200b, как правило, находятся в одной плоскости с центральной осью элемента 125 клапана, чтобы дать возможность газообразной текучей среде проходить вдоль выступов без препятствий. Механический упор в противоположном направлении предпочтительно предусмотрен на конце привода ограничителя 1200 в силу меньшего диаметра штока 115 привода, который значительно уже, чем механический ограничитель 1200, а также вращательная поверхность 1100 вращения для управления потоком.
Предельно точные заданные значения точностей расхода во всех рабочих диапазонах
[0124] График на фиг. 9 также был изменен, чтобы продемонстрировать поддиапазоны 901, 903 и 905 значений заданных точностей относительно кривой 900 потока графика. Поддиапазоны 901, 903 и 905 значений заданных точностей демонстрируют, что диапазоны расходов, которые находятся в пределах технических требований полнофункциональной точности заданных значений, классифицированы следующим образом: отклонение +/-1%, т.е. крайне точный, для поддиапазона 901 заданных значений; отклонение +/-3%, т.е. высокой точности, для поддиапазона 903 заданных значений; и отклонение +1-5%, т.е. в целом точный, для поддиапазона 905 заданных значений. Как видим, меньшие проценты являются характеристикой большей точности, и чем выше точность заданного значения, тем больше расход для каждого заданного набора условий будет соответствовать желаемому расходу
[0125] В предпочтительных вариантах осуществления допуски регулировки имеют место по всему рабочему диапазону. Ограничивающие сплошные линии 901а и 901b показывают отклонение в 1% от расчетного заданного значения. Аналогично, промежуточные пунктирные линии 903а и 901b показывают отклонение в 3% от расчетного заданного значения. И наконец, внешние сплошные линии 905а и 901b показывают отклонение в 5% от расчетного заданного значения.
[0126] Благодаря усовершенствованиям двухступенчатого клапана CFV 10 и его контроллера 320 предпочтительные варианты осуществления двухступенчатого клапан CFV 10 могут достичь крайне точных расходов
Большой динамический диапазон мощности и степень регулирования клапана CFV
[0127] Предпочтительные сочетания параметров также способны достичь точностей заданных значений расхода топлива от 0,1 г/ч до 40 г/с. Тем не менее необходимо признать, что альтернативные варианты осуществления не обязательно позволяют достичь таких рабочих параметров. Диапазоны где-нибудь в пределах этого предпочтительного диапазона могут быть использованы в предпочтительных альтернативных вариантах осуществления, хотя желательно достичь степени регулирования 60:1 или более, предпочтительно в двухступенчатом клапане CFV 10, регулируемом обычным микропроцессором 320, который управляет интерактивными алгоритмами регулирования фиг. 6 и 8 и/или выбирает между различными алгоритмами регулирования для различных диапазонов рабочих состояний.
[0128] Конкретная степень регулирования для второй ступени 30 предпочтительно составляет 30:1 или более, в то время как степень регулирования 50:1 более предпочтительно обеспечивается наиболее предпочтительными вариантами осуществления второй ступени 30. В результате достижимые общие степени регулирования для альтернативных вариантов осуществления клапана CFV настоящего изобретения могут составлять 200:1 (4:1 для первой ступени, дополненный степенью регулирования 50:1 для второй ступени) если не более, что гораздо больше, чем необходимо для большинства применений с большим динамическим диапазоном мощности.
[0129] В варианте осуществления, приведенном на чертежах, первая ступень 20 имеет степень регулирования 4:1, вторая ступень 30 имеет степень регулирования 40:1, в результате чего динамической диапазон мощности составляет 160:1. В то время как другие степени регулирования могут быть достигнуты в рамках альтернативных вариантов осуществления, конкретные альтернативные варианты осуществления обеспечивают степень регулирования 60: 1, сохраняя при этом высокоточное регулирование расхода (и, следовательно, контроль мощности) на обеих границах, а также по всему рабочему диапазону - т.е. достигают фактических показателей расхода при отклонении менее 1% от заданных показателей расхода. Кроме того, предпочтительные варианты осуществления системы клапана CFV не имеют отверстий настолько малого размера чтобы засорятся, поэтому система клапана CFV является относительно устойчивой к воздействию примесей топлива.
[0130] Желательна точность заданного значения с отклонением в пределах 1% от предполагаемой кривой 900 расхода (т.е. создает фактический расход в пределах поддиапазона 901) по всему рабочему диапазону. Ее можно достичь, используя предпочтительные варианты осуществления клапана CFV 10, при условии дополнительного контроля качества во время изготовления. На практике изменения в изготовлении, падения давления и накопление износа элементов регулирования, например, центрального элемента 125 клапана, а также другие варианты выполнения клапана CFV 10 и двигателя 270, может привести к практическим результатам, которые иногда выходят за пределы поддиапазона 901, но стабильно находятся в пределах отклонения в 3% поддиапазона 903 точности заданных значений по всей кривой потока 900. Тем не менее даже с отклонением в 3% способность регулировать расход топлива в пределах поддиапазонов 901, 903, 905 допусков по всей кривой потока сразу определяется специалистом, компетентным в данной области, как новшество, в частности это касается нижнего конца кривой потока, где наклон в значительной степени пологий, и это обеспечивает то, что относительно большое изменение длины хода обеспечивает минимальное изменение расхода.
[0131] Имеющиеся в настоящее время контроллеры расхода газообразного топлива заявляют отклонения в 1% от заданного значения, однако обычно они достигают ее почти на верхней границе рабочего диапазона, где отклонение в 1% наибольшее и его легче достичь. Имеющиеся системы управления клапана CFV не в состоянии поддерживать точность заданного значения с отклонением в пределах 5% по их всем рабочим диапазонам, когда этот диапазон значительный в любой мере, не говоря уже о высокопроизводительных применениях с большим динамическим диапазоном мощности.
[0132] Напротив, клапан CFV 10 и многие другие варианты осуществления позволяют достичь высоко точных заданных значений отклонений в большинстве транспортных применениях. Эта возможность частично обеспечивается благодаря рабочим характеристикам второй ступени, которые производят кривую потока 900 с относительно небольшим наклоном (т.е. ближе к горизонтали) в нижней половине его рабочего диапазона по сравнению с верхней половиной его рабочего диапазона. Более подробные параметры таких рабочих характеристик могут понять специалисты в данной области тщательно рассмотрев кривую 900, показанную на фиг. 9.
[0133] Например, поверхность 1100 управления потоком обеспечивает относительно малые увеличение расхода на миллиметр хода привода при относительно низких значениях расхода, как показано там, где кривая расхода потока приближается к горизонтали, например, для длины хода от 0 до 4 мм. Такое строгое регулирование расхода, предпочтительно в пределах 3% от предполагаемого заданного значения и более предпочтительно в пределах 1% от предполагаемого заданного значения вдоль всего диапазоне хода, обеспечивается отчасти благодаря клапану расхода второй ступени. Так, геометрия профиля центрального элемента клапана постоянно сужается в направлении к точке на конце таким образом, что геометрическая форма точно приспособлена и постоянно изменяется вдоль всего диапазона хода. Кроме того, при производстве, геометрическая форма центрального элемента 125 клапана откалибрована в сочетании с соответствующим ограниченным отверстием через каждые 0,5 мм, так что фактические значения могут быть использованы для точной регулировки расходов для каждого отдельного клапана и центрального элемента 125 клапана. Такая точная регулировка способствует достижению желаемой точной регулировки по всему диапазону кривой расхода потока. Кроме того, большим вкладом в обеспечение задросселированного потока при таких настройках низкого уровня расхода является способность второй ступени 30 достигать почти мгновенной регулировки расхода.
[0134] Рассматривая фиг. 9 в контексте остальных описаний, специалист в данной области увидит, что задросселированный поток может быть достигнут и поддерживаться клапаном CFV 10 при более низких значениях расхода и в пределах отклонения в 3% до 5% от заданного значения по всему рабочему диапазону в случае применений с большим динамическим диапазоном мощности.
[0135] Кроме того, следует признать, что преимущества, предложенные кривой 900 второй ступени дополнены преимуществами регулировки первой ступени 20, а также основной логикой работы клапана CFV, определенной внутриблочным микроконтроллером 320 платы 40 печатного монтажа. Наряду с тем, что кривая 900 характеризуется конкретным промежуточным давлением Р2, плата 40 печатного монтажа может обеспечить более широкий диапазон значений расхода со сравнимой точностью для соответствующих уровней расхода, показанных на фиг. 9 путем изменения такого промежуточного давления Р2 при работе первой ступени 20. Очевидно, что в условиях предпочтительной степени регулирования 4:1 для первой ступени 20 больший диапазон расходов можно будет увеличить до 4 раз от диапазона, показанного на фиг. 9, и в то же время еще достигнуть сопоставимых точностей заданных значений по большему диапазону.
Поверхность управления потоком второй ступени
[0136] Фиг. 10А, 10В, 10С и 10D иллюстрируют четыре вида варианта осуществления центрального элемента 125 клапана, в частности, вид сбоку, вид сверху, вид сзади и вид спереди, соответственно. Центральный элемент 125 клапана представляет собой удлиненный элемент клапана, имеющий поверхность 1100 тела вращения управления потоком на одном продольном конце, и более узкое основание 115 привода на его другом продольном конце, а также механический ограничитель 1200 между ними. Размер штока 115 привода выбран таким образом, чтобы обеспечить возможность скольжения внутри привода 430, а его продольное положение регулируется (т.е. перемещение в продольном направлении) с помощью данного привода 430. Пространство между штоком 115 и приводом определено с жесткими допусками, чтобы свести к минимуму риск утечки топлива через привод 430, а также свести к минимуму риск ограничения рабочего перемещение штока 115. Кольцевые уплотнения, втулки, хомуты и т.п. также могут использоваться для оптимизации взаимодействия между штоком 115 и приводом 430.
[0137] Поверхность 1100 тела вращения управления потоком центрального элемента клапана для работы расположена соосно с отверстием 135 клапана второй ступени в потоке 351 газообразного топлива от первой ступени 20, для определения радиально равномерного зазора между центральным элементом 125 и отверстием 135 клапана второй ступени. Продольное положение данной поверхности 1100 тела вращения управления потоком, которая управляется приводом 430 с помощью основания 115, в свою очередь, регулирует эффективную площадь радиально равномерного прохода между этой поверхностью 1100 и отверстием 135.
[0138] Как показано фиг. 10D, форма поверхности 1100 управления потоком обеспечивает постоянную точность заданного значения расхода по всему диапазону рабочих положений. Для справки, форма, показанная на фиг. 10D, может рассматриваться в отношении восьми последовательно расположенных смежных секций 1210, 1220, 1230, 1201, 1240, 1250, 1260, 1270 поверхности 1110, все они являются соосными секциями (вокруг центральной оси 126), которые в совокупности определяют характеристики формы поверхности 1100 тела вращения управления потоком. Несмотря на увеличение на фиг. 10D, поверхность 1100 имеет общую длину от около 25 до 30 мм от его ближнего конца основания 1210 до его дальнего конца на наконечнике вниз за потоком 1202, при этом радиально выгнутая секция 1201 находится всего лишь в 6 мм от ближнего конца 1210 поверхности 1100.
[0139] Самый большой размер формы поверхности 1100 тела вращения находится посередине радиально выпуклой секции 1201, которая предпочтительно имеет диаметр около 10 мм, что больше, чем диаметр отверстия 135. Кроме того, переходная секция 1250 имеет диаметр около 7,5 мм, что меньше, чем диаметр отверстия 135. Две наиболее тонкие по оси секции - это секция 1210 основания и переходная секция 1250, которые имеют постоянный диаметр, составляющий лишь около миллиметра в осевом измерении, придавая каждой форму аналогичную цилиндрическому диску. Обе эти секции 1210, 1250 в форме цилиндрического диска имеют диаметры, которые составляют от половины до трех четвертей диаметра радиально выпуклой секции 1201, не смотря на то, что переходная секция 1250 имеет больший диаметр, чем секции 1210 основания.
[0140] Радиально выпуклая секция 1201 имеет выпуклый внешний профиль на фиг. 10D. Эти две секции 1260, 1270 объединяются для того, чтобы определить большую часть длины поверхности 1100, и обе, как правило, имеют коническую форму со слегка выпуклым наружным профилем на фиг. 10D. В то же время две секции 1220 и 1240 имеют вогнутый наружных профиль на фиг. 10D, а секция 1230 в основном конической формы.
[0141] Хотя другие характеристики данной формы видны благодаря тщательному изучению фиг. 10A-10D, некоторые параметры данной формы необходимо выделить. Например, гладкая радиальная выпуклость 1201 обеспечивает дополнительное ограничение хода в случае отказа основных ограничителей 1200а и 1200b хода.
[0142] Поверхность 1100 тела вращения управления потоком, в предпочтительном варианте осуществления, может иметь колоколообразную форму, изменяющуюся в функции кривой, проходящей от его ближнего конца к выпуклости 1201 и далее к выступающему наконечнику 1202. В частности, диаметр центрального элемента 125 клапана может плавно расширяться от его ближнего конца до тех пор, пока не достигнет радиальной выпуклости 1201. От выпуклости 1201 центрального элемента 125 клапана диаметр центрального элемента клапана 125 может постоянно уменьшаться и, в конечном счете, сузиться в точку выступающего наконечника 1202.
[0143] Постепенная изменяющаяся кривизна от ближнего конца поверхности 1100 до выпуклости 1201 имеет плавное увеличение угла для обеспечения движения потока газообразного топлива от центрального элемента 125 клапана направленного слева направо, как это представлено в предпочтительном варианте осуществления, показанном на фиг. 10А, 10В, 10С и 10D. Поток газообразной текучей среды вдоль центрального элемента 125 клапана от штока 115 может привести к большим пикам давления. В результате плавная кривая под углом с постоянно увеличивающимся диаметром центрального элемента 125 клапана обеспечивает достаточное расширение для увеличения объема газообразной текучей среды и сохранения потока.
[0144] От выпуклости 1201 центрального элемента клапана 125 диаметр постоянно уменьшается по направлению к наконечнику 1202 центрального элемента 125 клапана. Сначала, от выпуклости 1201, диаметр более резко уменьшается под углом, но идет к более постепенному уменьшению диаметра до тех пор, пока не достигнет основания наконечника 1202. От основания наконечника 1202 к концу наконечника диаметр снова уменьшается более резко до тех, пор, пока не сузится до точки на конце.
[0145] Выпуклая внешняя форма поверхности 1100 тела вращения управления потоком центрального элемента 125 клапана обеспечивает его рабочие характеристики. Такая выпуклая форма, которая постоянно изменяется вдоль всей длины 1100 поверхности управления потоком, сочетание постоянно увеличивающегося диаметра от штока 115 до выпуклости 1201, а затем постоянно уменьшающегося диаметра от выпуклости 1201 до наконечника 1202, позволяет управлять профилем потока газообразной текучей среды для поддержания достаточного ламинарного потока и для достижения необходимых точностей заданного значения по всему диапазону функционирования клапана CFV 10. Управляя эффективной площадью отверстия при достижении задросселированного потока, клапан CFV 10 может функционировать для достижения необходимой точности управления потоком. Таким образом, величина расхода потока через центральный элемент 125 клапана соответствует эффективной площади, поскольку центральный элемент 125 клапана имеет форму, соосную с отверстием 135.
[0146] Обратите внимание на то, что, хотя отверстие 135 - это отверстие без посадочной фаски (без скоса кромки) в предпочтительном варианте осуществления, с расходящейся в форме конуса поверхностью после отверстия 135, аспекты настоящего изобретения могут быть использованы в альтернативных вариантах осуществления с другими типами клапанов или отверстий. Например, вместо бесскосного отверстия 135, с некоторыми компромиссами, которые могут выходить или не выходить за рамки заявленного изобретения, альтернативные варианты осуществления могут использовать форсунки с формой типа «Вентури», которая плавно сходится по направлению к горловине, таким образом, что впуск в форсунку плавно сужается, в то время как выпуск из форсунки плавно расширяется. Аналогично, в то время как предпочтительный вариант осуществления прохода текучей среды между отверстием 135 и выпуском 70 показан с небольшим коническим расширением, что обеспечивает необходимое распыление потока после отверстия 135, многие альтернативные формы могут быть замещены для направления потока из второй ступени 30, при условии, что этими альтернативными формами и полученными в результате характеристиками потока можно управлять таким образом, который все-таки обеспечивает получение некоторых преимуществ по изобретению.
Альтернативные виды топлива
[0147] Газообразное топливо для настоящих целей означает топливо, которое находится в газообразном состоянии при стандартных рабочих температурах и давлениях. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения газообразное топливо - это природный газ, полученный либо из сжиженного природного газа (СПГ) или сжатого природного газа (СПГ) при хранении. Поскольку наиболее предпочтительные варианты осуществления приспособлены для использования с этими видами топлива, адаптации для использования аспектов настоящего изобретения с другими видами топлива в альтернативных вариантах осуществления будут очевидны для специалистов в данной области. Такие альтернативные варианты осуществления приспособлены, например, для использования с водородом или другими видами газообразного топлива, такими как пропан, бутан или другие газовые смеси, в том числе смеси со сжиженным углеводородным газом (СУГ). Кроме того, хотя настоящее изобретение сосредоточено на конкретных областях, к которым применимы предпочтительные варианты осуществления, но также возможно, что некоторые аспекты настоящего изобретения могут быть принципиально новыми в других областях.
Альтернативы в целом
[0148] Хотя представленные выше описание и чертежи должны дать возможность обычному специалисту сделать и использовать то, что в настоящее время считается лучшим вариантом осуществления изобретения, но их следует рассматривать в иллюстративном, а не ограничительном смысле во всех отношениях. Средние специалисты должны увидеть и оценить существование многочисленных модификаций, изменений, вариантов, комбинаций, перекомпоновок, замен, альтернатив, проектных решений, а также их эквивалентов («Альтернатив»), большинство, если не все, из которых могут быть сделаны без отхода от сущности и объема изобретения.
[0149] Таким образом, настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления и примерами, а, скорее, охватывает все возможные варианты в пределах допустимого объема и сущности заявленного изобретения, а формула изобретения может быть изменена, заменена или иным образом модифицирована в ходе соответствующего рассмотрения заявки. Любая настоящая формула изобретения, формула изобретения с изменениями или дополнениями должна считаться такой, что охватывает все дальнейшие модификации, изменения, перекомпоновки, замены, альтернативные варианты, проектные решения и варианты осуществления, которые могут быть очевидны специалистам в данной области, обнаруженные сейчас или позже. В любом случае, все эквиваленты должны считаться такими, что включены в объем изобретения, в случаях непосредственного письменного отказа от формулы во время рассмотрения дела по заявке, или насколько это необходимо для сохранения юридической силы конкретной формулы изобретения с учетом предшествующего уровня техники.
Реферат
Изобретение может быть использовано в системах подачи газового топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Предложено устройство для точной регулировки потока газообразного топлива для ДВС с искровым зажиганием, включающее в себя единый блок клапанов, содержащий первую ступень регулирования потока газообразного топлива с электродвигателем привода первой ступени и вторую ступень регулирования потока газообразного топлива с электродвигателем привода второй ступени. Первая и вторая ступени регулирования потока газообразного топлива содержат средства управления их приводами, соединенные с контроллером, также расположенным в блоке клапанов. Контроллер, запрограммирован на взаимозависимую координацию работы первой ступени регулирования потока и второй ступени регулирования потока путем управления их приводами для достижения требуемого расхода газообразного топлива через предложенное устройство регулирования. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 14 ил., 1 табл.
