CN116480469A - 大型天然气发动机的质量流量节气门 - Google Patents

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迈克尔·T·汉比奇
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Abstract

一种质量流量节气门，用于响应于来自发动机的ECM的瞬时需求信号，对大型发动机的燃烧室的气体供应(燃料和/或空气)进行高度精确的控制，尤其是对于由天然气作燃料的大型(即30升或更大)火花点火式内燃发动机。采用整体块组件和由非铰接式旋转致动器轴驱动的节气门叶片，结合包括多个压力传感器以及用于温度和节气门位置的传感器的紧密控制电路，相同的基本节气门概念创新性地适用于工业应用中的MFG和MFA节气门两者，以实现高度精确的质量流量控制，即使在非阻塞流下操作时存在压力波动。

Description

大型天然气发动机的质量流量节气门
技术领域
本发明主要涉及大型天然气发动机的节气门。特别地，本发明涉及一种用于控制到大型气体燃料火花点火式内燃发动机的燃烧室的质量流量(massflowrate，有时称为质量流率)的节气门，特别是用于固定的工业应用，并且更特别地，当在低压非阻塞流中操作时。
背景技术
节气门长期以来用于大型天然气发动机，但是现有的控制策略往往是不足的。需要更精确的流量控制，以便根据发动机控制模块(ECM)的需求获得最佳效率的燃料燃烧。很难实现精确控制的质量流量，尤其是对于非阻塞流来说。电子节气门通常用于大型发动机，以控制燃料和空气的质量流量。ECM的进步极大地提高了火花点火式内燃发动机优化效率和性能并最大限度减少排放的能力。通过持续监测大量传感器和输入，ECM可根据性能条件平衡当前操作者命令，以确定发动机在任何给定时刻所需的最理想供应流量。
然而，知道理想流量和递送理想流量是两个非常不同的事情。即使现代ECM可在任何给定的时刻知道理想流量，实际的现有技术燃料供应装置也不能在其整个操作范围内一致地按需即时递送理想流量。最好的可用控制器声称提供1％的设定点精确度，这意味着他们声称递送的实际供应流量在要求的流量的约1％以内。以1％的设定点精确度持续递送气体供应流量的能力被认为是极其精确的并且是理想的，但声称这种效果往往只是部分情况。
对于现有技术，极高的设定点精确度往往只能在有限的操作范围内获得，这意味着所声称的精确度通常是不可靠的，尤其是对于具有大动态功率范围的发动机。(发动机的“动态功率范围”是发动机将按规定操作的最大功率与最小功率之比，这在很大程度上取决于相关联的燃料供应***的有效调节比。)例如，对于在其操作范围的顶端递送25克/秒的燃料供应，1％将是1/4克/秒(0.25g/s)。虽然将最佳可用阀之一校准到1/4克/秒的误差对于中等流量来说可能是可管理的，但是相同的燃料供应通常也需要在其操作范围的另一端以约1/4克/秒的速度怠速，使得对于接近怠速的流量来说，相同的1/4克/秒的误差将是非常不精确的。虽然精确的控制有时被认为在较低的流量下更容易实现，但在1/4克/秒怠速流量下1％的设定点精确度要求精确度在±0.0025g/s以内。因此，尽管现有技术的气体流量节气门声称在其整个操作范围的指定部分递送极其精确的流量，但在操作范围的两端和中间的所有部分都实现同样的精确度长期以来是不可能的，尤其是对于现实操作中如此大的范围来说。
太多现实世界变量的复杂相互作用阻碍了对气体供应质量流量一致较高的全范围设定点精确度的追求。磨损、泄漏、滞后时间、假信号、阻塞、噪音、人为因素和一般可变性都倾向于在现实世界中发生。外部温度和气体燃料和空气成分的广泛可变性进一步加剧了挑战。
此外，即使气体供应的流量控制本身可达到完美，流量精确度也可能受到上游和下游压力波动的影响，尤其是当通过节气门的流没有被阻塞时。由于气态流体是可压缩的，与燃烧或阀和活塞移动相关的下游事件可引起压力波，从而产生相当大的流量波动。上游压力波动可能同样麻烦，尤其是在控制汽化液体燃料(例如LNG或LPG)或增压或涡轮增压***的流量时。
因此，在大型火花点火式发动机的气体供应***领域中，长期以来一直需要一种能够精确且一致地递送ECM要求的质量流量的节气门，即使在控制非阻塞流的同时也是如此，非阻塞流在低压供应流中是常见的，但在许多高压场景中也会发生。关于阻塞质量流量控制的更多背景，请参考美国专利第9,957,920号，其副本以引用方式全文并入本文中。
发明内容
对于本领域的技术人员来说，显而易见的是，对本发明和本文公开的实施例的考虑周全的使用将解决上述和许多其他未克服的困难、问题、障碍、限制和挑战，特别是当根据下面在全面理解现有技术的情况下考虑的进一步描述而构思时。
本发明通过允许对大型火花点火式内燃发动机进行快速动作、高度精确的气体供应流量控制来实现同样的效果，这对于使用天然气作为燃料源的发动机特别有利。气体燃料优选地源自液化天然气(LNG)或压缩天然气(CNG)储存状态。大型发动机在这里被定义为30升或更高的任何发动机。发动机优选地用于诸如发电机组(以下称为“机组”)的固定应用中。备选地，发动机可用于大型移动应用中，诸如采矿卡车、船舶、火车或其他重型交通工具。尽管优选实施例典型地操作用于控制通常在低压应用中的非阻塞流，但是它们仍然实现了高度精确的质量流量控制。我们的目标包括响应于发动机ECM的瞬时需求信号而实现这种流量控制，同时在大动态功率范围内一致地保持极高的精确度，尽管上游、下游甚至中游大多数存在压力波动。
可能的实施例可体现在许多不同的组合中和许多不同种类的改进的机器、内燃发动机、气体供应控制***等中。其它可能的实施例体现在用于操作和优化这样的机器、发动机、***等的方法以及其它类型的方法中。如果从正确的角度考虑，本发明的所有各种多层面的方面以及这些方面的所有各种组合、替换和修改可各自单独地被构思为发明。
本发明的最终组合不仅更加多样性和可靠，而且它们还能够获得更高的精确度，尽管在比用这种简单***曾经达到的更大的动态功率范围内条件迅速变化。各种实施例改进了相关技术，包括通过优化可靠性、可制造性、成本、效率、易用性、易修理性、易适应性等来改进。尽管下面引用的实施例并未提供远非接近详尽的列表的任何内容，但是本说明书描述了被认为实现了本发明的许多基本要素的精选实施例。
根据本发明的许多教导，节气门以易于适应多种应用的功率需求的形式提供，并且能够容易实现用于在内燃发动机的非常大的动态功率范围内控制气体供应流量的高度精确的设定点精确度。这样的流量控制节气门和相关的燃料***实质上偏离了现有技术的常规概念和设计，并且通过这样提供了并未通过任何现有技术单独地或以它们的任何明显组合预见到、变得显然、表明或甚至暗示的许多优点和新颖特征。
通过其特征和要素的创新组合，根据本发明的教导的节气门能够一致地且可靠地实现用于各种大型发动机应用的高度精确的质量流量控制，即使是在无阻塞流的情况下。实现该结果的一些特征和要素包括使用用于节气门的整体块组件和快速动作致动器，加上用于驱动节气门叶片的单个整体且刚性的旋转轴(该旋转轴由沿着轴的长度的三个不同轴承组件支撑)，以及控制电路与旋转致动器以及节气门本身的共同包含的组件，所有这些都有助于最小化控制中的偏差。此外，本发明优选地实施为至少部分地冗余的多个压力传感器，这使得控制器能够实时自检各种传感器。
总体上说，根据现有技术，从对以下描述和附图的仔细和全面的回顾中，本发明的许多其它方面、目的、特征和优点对于本领域的技术人员来说将是显而易见的，所有这些都达到了可授予专利的程度。因此，预期这些方面、目的、特征和优点也在本发明的范围和精神内。然而，应当理解，详细描述和具体示例虽然指示了本发明的优选实施例，但是仅仅是通过说明的方式给出的，因为根据该详细描述，在本发明的精神和范围内的各种扩展、改变和修改对于本领域技术人员来说将变得显而易见。
实际上，本发明最终将相对于一个或多个专利权利要求或权利要求组来定义，这些权利要求或权利要求组可附加到本说明书或要求本说明书优先权的说明书，因为这些权利要求可随着时间的推移而被修订、拆分、细化、修改、替换、补充等。尽管本发明的相应范围取决于那些权利要求，但为了方便起见，这些描述偶尔会提及“发明”或“本发明”，好像在撰写本文时已经完全理解了该特定范围。实际上，基于本说明书，可适当地主张多个独立且不同的发明，使得对“发明”的引用是对由相应专利权利要求的最终形式限定的任何内容的动态引用。因此，就这些描述涉及最终专利权利要求没有单独要求的本发明的方面而言，这样的引用不应被视为限制性的或描述本发明的变型。
因此，本发明的应用不限于以下描述中阐述的或附图中示出的构造的细节和部件的布置。相反，附图仅是说明性的，并且可对任何示出或描述的细节进行改变，尤其是任何被称为“优选的”细节。可以实现这样的改变，同时仍然在本发明的精神内。此外，应当理解，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，并且不应被视为限制性的。描述本发明和实施例及其功能的其它术语和语言将被认为在本发明的精神内。
本发明能够有许多其它实施例，并且能够以许多其它方式实践和执行。还应当理解，许多其它备选实施例未被示出或引用，这些实施例仍将被包含在本发明的精神内，本发明的精神将仅由权利要求的范围来限制，这些权利要求可为在本专利申请或将来可能要求本申请的优先权的任何其它专利申请中原始的、添加的或修改的。
附图说明
现在将参考某些优选和备选实施例的附图来描述本发明的各种特征和优点，这些实施例旨在说明而不是限制本发明，其中附图标记可指类似的元件。
图1A和图1B是优选的质量流量节气门10的透视图。
图2A是优选的大型发动机节气门10的前视图。
图2B是通过图2A的截面B-B居中剖开的图2A的优选大型发动机节气门10的截面图。
图3是优选的大型发动机节气门10的分解透视图。
图3A是大型发动机节气门10’的分解透视图，其是图3的节气门10的备选实施例。
图4是节气门主体组件20的透视图。
图5是弹簧组件50的分解透视图。
图5A是图3A的大型发动机节气门10’的备选实施例的弹簧组件50’的分解透视图。
图6是热敏电阻组件60的分解透视图。
图7是马达和节气门轴组件70的分解透视图。
图8是中间壳体组件80的分解透视图。
图9是PCB组件90的分解透视图。
图10是示出根据本发明的各种教导的气体燃料供应***的优选实施例的框图，该气体燃料供应***具有大型发动机MFG节气门10，该节气门与内燃发动机102操作性地集成，以提供对该发动机102的气体燃料供应的高度精确的控制。
具体实施方式
描述以下示例是为了示出在实践中实施本发明的优选实施例，以及某些优选的备选实施例，因为在撰写本文时，这些实施例似乎特别有启发性。在理解这些对优选和备选实施例的各种描述的过程中，本领域技术人员能够得到不仅对本发明的更好理解，而且对制造和使用本发明及其实施例的各种方式中的一些的更好理解。
措辞惯例
出于这些描述的目的，除了在说明书或任何权利要求中的特定上下文中另外阐明之外，一些措辞简化应该被理解为通用的。为了理解对本发明来说可能是基本的描述，术语“或”的使用应被假定为表示“和/或”，除非明确指出仅指备选方案，或者除非备选方案固有地相互排斥。当引用值时，术语“约”可用于表示近似值，通常是包括针对所公开的任何特定实施例的误差的标准偏差的近似值或通常用于确定或实现这样的值的近似值。除非另有明确说明，通常与冠词如“一”或“一个”一起引入的对一个要素的引用可表示一个或多个。当结合诸如“具有”、“包含”或“包括”的开放式词语进行引用时，最特别地预期为这样“一个或多个”的含义。同样，“另一个”可表示至少第二个或更多个。其它词语或短语可具有此处或者在所附背景技术或发明内容中所限定的含义，并且应假定采用那些所限定的含义，除非上下文指示为其它情况。
这些描述偶尔指出并且提供关于各种可能的备选方案的观点以强调本发明并不限于任何特定实施例，尽管所描述的备选方案仍仅为精选示例并且并不意味着代表在撰写本文时可能已知的可能备选方案的详尽辨识。该描述可能偶尔甚至将特定备选方案的优先水平排序为“最优选的”、“更优选的”或类似水平，但这些排序观点应当给予很少的重要性，除非最终要求保护的本发明无可辩驳地要求这样。实际上，在总体发明的上下文中，优选实施例或所引用的备选方案中的任一个都不应被视为限制性的，除非我们的最终的专利权利要求无可辨驳地要求相对应的限制，而无另外等效物的可能性，认识到对于根据美国等同原则或其它相当的法律原理的侵权，可不需要那些最终专利权利要求的特定要素中的许多要素。话虽如此，虽然本发明应假定涵盖对于所要求保护的主题的所有可能等效物，但也应认识到一个或多个特定权利要求可不涵盖所有描述的备选方案，如将会在诉讼期间通过表达放弃声明或者通过为了保持根据现有技术的特定权利要求的有效性所需的限制而指示的。
自撰写日期起，由这些示例所表征的结构和功能组合被认为表示实践本发明的有效优选模式。然而，根据本公开，本领域技术人员应能够填补、校正或以其它方式理解在这些描述中的任何空缺、误述或简化。
对于描述性引用，如果供应流量设定点精确度在其整个操作范围内一致地在所需流量的5％内，则我们将供应流量设定点精确度归类为“大体上精确”。当在整个范围内一致地在所需流量的3％内时，设定点精确度可被归类为“高度精确”。在极端情况下，当设定点精确度在整个操作范围内一致地在所需流量的约1％内时，其可被归类为“极其精确”。
还值得注意的是，虽然许多实施例可用于空气或燃料或空气和燃料的组合的质量流量控制，但这些描述通常将指“供应流量”的控制，其通常应理解为指任何这种供应流量的控制，无论它是空气、燃料或其组合。然而，应当理解，根据这些描述的旨在严格用于控制燃料供应流量的节气门将被安装在与仅用于控制空气的安装位置不同的位置。同样，根据这些描述的部署用于控制没有燃料的空气的质量流量的节气门将被安装(plumb)在与用于控制燃料和空气的混合物的安装位置不同的位置。我们目前更倾向于包括仅用于控制气体燃料供应流量以实现对燃料的质量流量(有时被称为气体质量流量，或“MFG”)的高度精确控制的一个节气门以及在空气已经与燃料供应流混合之后用于控制供应流量(有时被称为空气质量流量，或“MFA”，而不管在相同的流中是否包含燃料)的更下游的另一个节气门。尽管如此，通过将MFG节气门和安装在燃料-空气混合器上游的空气供应源中的MFA节气门组合在一起，也可实现完全和高度精确的质量流量控制。此外，如果使用其它可靠的数据来计算空气的质量流量，诸如通过结合压力、温度等使用氧传感器，则通过仅控制燃料的质量流量而不主动控制空气的质量流量，通常可能也能够实现精确的总体控制。无论具体应用的选择如何，我们相信本领域的技术人员将理解在哪里以及如何包括用于不同目的的这种节气门，以实现总体质量流量控制的不同组合。
对于任何阀、节气门或致动器，“快速动作”是本领域技术人员通常理解的术语，并且该术语应该被假定为通常意味着它被设计成比大多数节气门、阀或致动器动作或响应显著更快或更迅速。更有限的定义可适用于在诉讼期间明确表示弃权或者对于保留根据现有技术的特定权利要求的有效性所必需的短语。尽管假定更广泛的意义，在这些描述中引用的快速动作致动器优选地可操作以在50毫秒或更短的时间内移动被致动的节流元件通过其整个可操作运动范围的大部分(优选地从该可操作范围的20％到80％，如果不是该可操作范围的全部的话)，尽管许多其它类型的致动器仍然可能适合作为备选，尤其是在特定的权利要求要素没有明确地否认需要特定的快速动作特性的情况下。
术语“大型发动机节气门”10在本文中用于描述许多优选实施例的质量流量节气门，并且它是指节气门和节气门控制***，而不仅仅是节气门主体20或其中的蝶形阀(或节气门叶片)210。尽管节气门10有“大型发动机”的描述词语，但是读者应该理解，这种大型发动机节气门的各个方面对较小的发动机也可为有益的，使得对“大型发动机”的引用不应被认为是限制性的，除非禁止反言、现有技术的有效性或其它法律原则明确要求仅限于大型发动机的解释。更简单的术语“节气门”20在本文中可与术语“节气门主体组件”20互换使用。关于燃料，术语“流体”在本文中用于表示液体或气体，尽管液体燃料实施例优选地适于在流到达大型发动机节气门10之前蒸发燃料的液相。在供应流量控制的上下文中，“连续流体通路”指任何类型的流体流路，无论是通过管、通道、室、挡板、歧管或者在其控制燃料流量的正常操作模式期间不由完全闭合的阀、活塞、正排量泵或类似物所中断的任何其它流体流路，使得每当存在造成这样的流动的压力梯度时，气态流体通常能够持续地流动通过连续流体通路。但应当认识到，尽管在本上下文中连续流体通路可通过将有效开口面积减小到零而被调节为零流量，但该通路在本上下文中仍被认为是连续流体通路。此外，在没有明确放弃声明的情况下，等效结构当不操作以控制流量时可完全关闭，并且等效结构也可具有平行或备选流路，其中一个或多个可被中断而不间断总流动。
大型发动机节气门10的分解图和非分解图
转到图1A和图1B，示出了优选的大型发动机节气门10的透视图。如图所示，大型发动机节气门10包括入口适配器30和出口适配器40。入口适配器30部分地限定了供应入口390，供应入口390被构造成允许供应流进入大型发动机节气门10。出口适配器40部分地限定了供应出口170(在图2B和图10中示出)，供应出口170被构造成允许供应流从大型发动机节气门10出来。螺钉31-34与机器螺母31a-34a配对，用于将入口适配器30固定到壳体组件20(在图2A至图4中更详细地示出)。类似地，螺钉41-44与机器螺母41a-44a配对，用于将出口适配器40固定到壳体组件20。在随后的段落中提供了优选实施例的组件和部件的详细描述。
参照图2A，示出了大型发动机节气门10的二维视图。在壳体组件20(以虚线框示出)的前面可看到冷却剂端口220，并且另一个冷却剂端口221(未示出)位于相对侧上。尤其是当节气门10被用作空气-燃料(MFA)节气门时，热气体可流过节气门10。为了应对这种热气体的温度，并且特别是为了防止与PCB900相关联的控制电路或马达700的热损坏，散热器(未标记)位于主节气门主体20和马达700以及PCB900之间的整体块组件99内。散热器优选地呈铝部件的形式，该铝部件包围一个或多个流通流路，该流通流路具有相对大的表面积，用于使液体冷却剂能够在其中循环，从而冷却铝部件。如本领域的技术人员所理解的，散热器通常用于涡轮增压应用，如大型发动机节气门10。冷却剂端口220和221使得冷却剂能够进入并且围绕大型发动机节气门10流动，以防止无刷马达700(在图7中示出)和主PCB900(在图9中示出)过热。
参照图2B，示出了图2A所示的实施例顺时针旋转90度的由线B-B指示的横截面。节气门轴710(有时称为致动器“驱动轴”)控制节气门叶片210的移动，且偏差或其它误差的机会最小。上游压力P1(节气门叶片210的上游)由PCB900上的压力传感器951在端口230处测量，因为传感器951的导管(stovepipe，有时称为炉管)与端口230通过开放通路(未示出)以开放流体连通的方式连接，该开放通路穿过整体块组件和端口230与传感器951的导管之间的管。同样地，下游压力P2(节气门叶片210的下游)由PCB900上的压力传感器952在端口240处测量，因为传感器952的导管与端口240通过开放通路(未示出)以开放流体连通的方式连接，该开放通路穿过整体块组件和端口240与传感器952的导管之间的管。
端口230和240中的每一个都具有紧邻端口的流体通路段，这些流体通路段定向成垂直于节气门10的节气门流体通路的流线，以最小化由于它们相对于流动的取向而导致的停滞或吸入压力。然而，每个的下一个相邻段定向成相对于重力略微向上倾斜，以最小化堵塞的风险。使用热敏电阻600(在图6中示出)在端口250处测量流体的温度。螺钉201-204将节气门主体组件20与中间壳体组件80结合在一起。
参照图3，虚线框用于描绘节气门10的整体块组件99的实施例的和实施例中的各种组件中的一些。刚性地结合以形成整体块组件99的组件包括中央节气门主体20的壁22、在图3中朝向右侧的端部处的弹簧复位组件50的弹簧复位盖550、在图3中朝向左侧的另一端部处的控制电路盖901，马达外壳80的中间壳体800定位在节气门主体20和PCB空间之间。此外，应当理解，许多螺钉被用来将图3的实施例的子块刚性地结合在一起，优选地具有***密封以确保各个子块中的每一个之间的密封结合。两个附加的子块(即入口延伸部和流动出口延伸部)也结合到图3的整体块组件99。类似地，图3A中所示的实施例的整体块组件99’也非常类似于图3的组件99。
更特别地，整体块组件由各种子块和盖组成，在优选实施例中，这些子块和盖优选地全部主要由铝成分组成。节气门10的最终整体块组件限定了节气门10的内表面和外表面。该整体块组件示出为在图1至图4的不同视图中显而易见的铝零件的坯段型组件，但应该理解，优选实施例也可通过具有较少子块的较大铸件来形成，以便降低批量生产的成本。这些组件在下面的图中更详细地示出。在图3中，示出了节气门主体组件20上方的入口适配器30(在图4中更特别地示出)。四个螺钉31-34(示出了三个)与圆形密封件35一起将入口适配器30结合到节气门主体组件20，以密封地使质量流能够从上游进入节气门主体组件20。类似地，出口适配器40使用具有圆形密封件45的螺钉41-44与节气门主体组件20结合，以密封地实现从节气门主体组件20向下游的质量流。虽然是次要的，但是可注意到，当节气门10被用作MFG节气门时，入口适配器30和出口适配器40更有利，这与当节气门10被用作MFA节气门时相反。
尽管总体上包含旋转轴710的由整体块组件限定的多个空间(即PCB空间、中间壳体800的马达空间、节气门主体空间和组件50的弹簧复位组件50的空间)中的每一个通过相邻子块的密封结合而形成，但是由于旋转轴710周围的不完美密封，从一个这样的空间到下一个仍然可能发生泄漏。因此，为了保护PCB900的控制电路免受气体燃料供应的腐蚀影响，PCB900的电子部件涂覆有涂层，该涂层保护这样的电子部件免受气体燃料的原本腐蚀性的特性的影响。
节气门主体20的右侧是弹簧组件50(在图5中详细示出)。弹簧组件50作为扭转型弹簧操作，当块组件10通电时，该弹簧上紧。当块组件10断电时，弹簧组件50放松并返回到关闭位置，或者更优选地返回到基本上关闭的位置。节气门主体20的左侧是热敏电阻组件60(在图6中详细示出)，其感测温度。节气门主体组件20的左侧还有控制节气门运动(在图4中示出)的马达和节气门轴组件70(在图7中详细示出)。中间壳体组件80(在图8中详细示出)将马达和节气门轴组件70和印刷电路板(PCB)组件90(在图9中详细示出)结合在一起。
作为图3和图5的实施例的备选方案，图3A和图5A示出了可比较但备选的实施例。然而，由于节气门10’与节气门10相比非常相似，图3A和图5A的每个中的零件都与图3和5中的可比零件编号相似，主要区别在于为图3A和图5A的实施例的部件添加了撇号("’")。特别地，参照图3A，节气门10’的大多数子组件实际上类似于图3的节气门10的那些，最显著的例外是弹簧复位组件500’，其具有与弹簧复位组件500的部件相似但不同的部件。
尽管如此，图5A的细节与图5的那些相似细节足够不同，因此一些描述可能是有帮助的。特别地，图5A的部件510’是轴密封件。在该实施例中，密封件保持器511’和512’合并为一个部件。零件501’是支撑弹簧500’的衬套分离器，并且螺钉531’将组件50’螺纹连接到节气门轴710的端部。螺钉531’中的D形切口倾向于将弹簧组件定向到轴710上的期望取向。轴承组件513’是非常类似于轴承组件513的常规轴承组件，并且元件520’是轴承自由载荷弹簧。零件530’是用于将节气门叶片210返回到距完全关闭位置五度位置的复位弹簧。弹簧500’的每个端部都具有突出的扩口，该扩口接合匹配的凹口等，以驱动节气门叶片210的弹簧偏置复位，这种方式通常在汽车节气门的许多弹簧偏置复位中是常见的。
节气门主体组件20
参照图4，示出了节气门主体组件(也称为“气体供应节气门”)20的等距视图。如前文所讨论的，节气门主体组件20可用于控制燃料流量、空气流量或燃料-空气混合物流量。从节气门主体组件20的顶部到底部的空间的圆柱形体积在本文中被定义为节气门室205。对于燃料节气门，节气门孔口200的直径优选地在50毫米和76毫米之间。对于燃料空气节气门，节气门孔口200的直径优选地在60毫米和120毫米之间。应注意，尽管节气门孔口200在优选实施例中是圆形面孔口，但是在备选实施例中可使用诸如正方形孔口的其它形状。
弹簧组件50
参照图5，示出了弹簧组件50的分解图。在图5的左侧是节气门轴密封件510(带有***件)，其密封节气门轴710(在图7中示出)。节气门密封垫片511将节气门轴密封件510与密封件保持器垫圈512分开。滚柱轴承513位于密封件保持器垫圈512和波形弹簧520之间。弹簧导向轴承501防止扭转弹簧500接触或摩擦节气门10的主体。较大的弹簧导向轴承502将扭转弹簧500与弹簧复位凸缘530分开。位于弹簧组件50的凸缘530中心的类似螺钉的垂直销531用于将弹簧500的中性偏置力传递到轴710，并且进而传递到节气门叶片210。螺钉551-554将弹簧复位盖550紧固到节气门主体组件20，并且O形环540密封地结合组件。参照图5A的备选实施例，示出了弹簧组件50’的另一分解图，该弹簧组件50’以大体上类似于弹簧组件50的方式类似地构造并起作用。
热敏电阻组件60
参照图6，示出了热敏电阻组件60的分解图。在一个实施例中，热敏电阻600具有从-70℃到205℃的温度测量范围。热敏电阻组件60具有用作密封物的两个O形环衬垫603和604。引线611和612软钎焊到热敏电阻PCB610，延伸(未示出)穿过中间壳体组件80，并且还软钎焊到主PCB900。环氧树脂包覆成型件620用于保护热敏电阻600和热敏电阻PCB610。热敏电阻管630包封环氧树脂包覆成型件620、热敏电阻600和热敏电阻PCB610。热敏电阻管630使用螺钉640与节气门主体组件20结合。
马达和节气门轴组件70
参照图7，示出了马达和节气门轴组件70。无刷马达700控制节气门轴710的移动。图7的右侧上是节气门轴密封件(带***件)711。节气门密封垫片712将节气门轴密封件711与节气门轴710分开。四个螺钉701-704(示出了三个)将无刷马达700和节气门轴710与节气门主体组件20结合在一起。节气门轴710贯穿无刷马达700延伸并连接到转子臂720。马达700内有两个旋转轴承组件705和706，使得三个轴承组件与旋转轴承组件513(或图3A的实施例中的513’)一起支撑轴710的旋转移动。螺钉730将转子臂720一体地紧固到节气门轴710的端部，节气门轴710从无刷马达700的左侧(如图7中所示)突出到PCB空间中。转子臂720具有永久地附接到转子臂720的径向向外部分的永磁体740，使得臂720可与磁体740结合使用，以间接测量节气门叶片210在其可旋转运动的范围内的位置。
中间壳体组件80
参照图8，示出了中间壳体组件80。大的开放空间810用于容纳无刷马达700。在左下角处的较小的圆形开口820用于容纳从主PCB 900突出的控制器局域网(CAN)引脚连接器。在组件80的顶部处的一个小开口830容纳逆流止回阀840，以保护传感器免于过压。另一个较小的开口850容纳顺流止回阀860，以保护传感器免于过压。成形为配合中间壳体组件80的凹槽内密封件870将组件80密封地结合到节气门主体组件20。
印刷电路板(PCB)组件90
参照图9，示出了PCB组件90，其密封地包含PCB900。PCB900包封在PCB壳体盖901和中间壳体800之间限定的空间(“PCB空间”)中，PCB壳体盖901和中间壳体800通过螺钉915-920以密封的方式结合在一起。盖901和中间壳体800之间的密封结合部分地由凹槽内弹性密封件902实现，该密封件902沿周边定位在中间壳体800和PCB壳体盖901之间的界面中的PCB空间周围。十二个螺钉903-914将PCB900和压力传感器950-952牢固地紧固到PCB壳体901。六个螺钉915-920(示出了三个)和PCB壳体密封件902将PCB组件90与中间壳体组件80(在图8中示出)密封地结合在一起。这种密封集成实现了最佳控制，并有助于最小化本来可能影响其操作的外来人为因素或其它影响。
PCB900包括微控制器930，微控制器930可为具有能够接收机器可读代码(即软件)的存储器的任何市售微控制器。微控制器930提供了大型发动机节气门10的“大脑”。微控制器930接收来自霍尔效应传感器940a-e的节气门位置信号、来自压力传感器950-952的压力信号、来自热敏电阻600的温度信号以及来自ECM100的控制信号。微控制器930使用算法来计算节气门位置，以便实现瞬时期望的质量流量，并且然后向马达80输出脉宽调制和H桥信号，以使马达700适当地控制节气门叶片210的位置，同时还向ECM输出测量数据。
PCB900具有五对相同的霍尔效应传感器940a-e，它们是用于间接检测节气门叶片210的位置的位置传感器组件的一部分。交叉参照图10，这些传感器统称为“叶片位置传感器”940。随着节气门轴710旋转，作为轴710的整体部分的转子臂720在PCB空间内旋转，并且这导致磁体740相对于霍尔效应传感器940a-e移动，该霍尔效应传感器940a-e能够检测磁场的最终变化。这些传感器940a-e响应磁场变化改变它们的输出电压，并且这些电信号由微控制器930处理。传感器940a-e用于相对于磁体740提供的磁场的强度校准节气门叶片210的位置。
压差传感器950是双面压力换能器(transducer，有时称为传感器)，其测量上游压力端口230和下游压力端口240之间的压差(“ΔP”)。两个压力传感器衬垫950a和950b密封压差传感器950。上游压力传感器951测量绝对上游压力(“P1”)，并具有压力传感器衬垫951a。下游压力传感器952测量绝对下游压力(“P2”)，并具有压力传感器衬垫952a。压差传感器950在测量压差方面比用数学减去P1和P2之间的差值的方法明显更精确。然而，存在节气门在超出压差传感器950的量程的压力下操作的情况。当压差传感器950开始失效(peg)(即，接近其最大可靠极限)时，微控制器930将开始使用压力传感器951和952来计算压差。一旦超过最大压力范围，微控制器930将停止使用压差传感器950，并完全切换到压力传感器951和952。此外，每当P1、P2和/或ΔP不符合合理性检查时，PCB900将对其它情况进行故障诊断，在这种情况下，向ECM100发送错误信号。
压力传感器951和952是常规的压力换能器，尽管非常规的压力换能器(或者甚至用于除压力之外的流体条件的传感器等)可被考虑用作一些相同目的的备选方案。压力换能器951和952优选地是可安装到和安装到PCB900的类型，并且具有从其底部延伸的刚性管连接器(有时称为“导管”)，通过该连接器，换能器获得待感测的压力。
为了抵消压力波动(特别是下游压力波动)的一些影响，微控制器930的控制算法优选地使用来自压力传感器950-952的时间平均压力读数，而不是瞬时压力读数。更特别地，基于由微控制器930从ECM 100接收的气缸数量和发动机的当前RPM，微控制器930连续地确定发动机102的活塞的冲程循环时间。
图10-框图
在图10的说明性框图中，描绘了针对优选实施例的供应流的四个主要区段：(1)在左侧描绘的上游气体燃料供应源350；(2)在中间的虚线框内描绘的大型发动机节气门10；以及(3)在更右边的较小虚线框中描绘的发动机102。根据本发明的各种教导，三个区段350、10和102操作性地连接以提供用于多种大型发动机应用的旋转轴动力，燃料供应源350用作发动机102的基本气体燃料供应源，并且大型发动机节气门10用于提供从该燃料供应源350到发动机102的气体燃料流量的精确控制。
上游燃料供应源350
如图10所示，燃料供应源350优选地包括用作流体燃料源的燃料箱360，以及机械压力调节器370和其它常规部件，诸如截止闸阀380。阀380优选地由ECM100控制，尽管在备选实施例中可使用独立控制。气体燃料供应源350被装备并适于以期望的压力水平向供应入口390递送气体燃料供应。
更优选地，气体燃料供应源350是递送储存在燃料箱360中的天然气或丙烷的天然气或汽化丙烷燃料供应源。虽然在图10中未示出，但是燃料箱360可装备有汽化子组件和控制器，以管理LNG(液化天然气)或丙烷汽化以及燃料箱360和相关联的管线365、375和376内的最终压力。这种用于LNG的汽化子组件和控制器优选地通过经由热交换回路预循环一些储存的LNG来灌注箱360，该热交换回路将预循环的LNG的温度升高到部分或完全汽化的点，从而在箱360内产生具有足够压头的气相。管线365优选地还包括燃料箱360下游的第二热交换器，以便一旦气体燃料被允许从燃料供应源350流向大型发动机节气门10，即进一步帮助LNG或丙烷的完全汽化。
在管线365中热交换器的下游，气体燃料在进入大型发动机节气门10之前被顺序引导通过机械压力调节器370、下游燃料截止阀380和管线快速断开组件(未示出)。在该实施例中，初始燃料压力由箱360供应，尽管来自箱360的初始压力优选地在到达大型发动机节气门10的供应入口390之前由机械压力调节器370调节。机械压力调节器370能够管理来自箱360的低压，并且包括一个或多个常规的压力调节器，该压力调节器使用压力平衡隔膜来改变有效孔口尺寸，从而将供应入口390处的压力控制在优选范围内。机械压力调节器370优选地包括集成压力传感器，用于经由控制链路371向ECM100提供上游压力数据(即，相当于在供应入口390处的压力“P1”)。无论压力传感器是否与调节器370集成，优选实施例都包括压力换能器951，其测量在端口230(该端口230在节气门叶片210的上游并且在流体上接近供应入口390)处的压力，使得该压力与P1相同，以用于对进入节气门10的气体供应的实际压力的可靠输入。
假设所有的管线365、375和376都***作性地密封和连接以引导通过其中的供应流，从燃料供应源350到大型发动机节气门10的供应流通过机械截止阀380的开/关操作来启用或禁用。尽管在某些备选实施例中可使用手动阀，但是阀380优选地是经由ECM100的监督控制由马达或螺线管致动的，如图10中虚线控制链接381所示。当截止阀380打开时，气体供应流由箱360和供应入口390之间的可操作压力梯度引起。因此，随着阀380打开，燃料首先移动通过热交换器和(多个)机械压力调节器370，并且燃料然后被引导通过阀380并进入燃料入口390。
尽管有汽化子组件和控制器，汽化天然气或丙烷燃料(也包含液相LNG或丙烷的液滴)通过的可能性仍然存在，例如，如果热交换流体的端口或导管变得堵塞，就可能发生这种情况。如果任何LNG或丙烷液滴保留在(多个)机械压力调节器370下游的燃料流中，它们随后的汽化可能在大型节气门发动机10中引入显著的压力尖峰，这将使大节气门发动机10过载。为了补偿热交换器下游的LNG或丙烷液滴的可能引入，压力控制回路可在(多个)压力调节器370和大型发动机节气门10的供应入口390之间的中间位置******中，优选地在热交换器和(多个)机械压力调节器370下游的位置。
在LNG或丙烷的任何游走液滴进入大型发动机节气门10的情况下，延迟的汽化将可能导致大型发动机节气门10的供应入口390处压力增加的尖峰。如果产生这样的压力尖峰，***的压力控制回路优选地通过排气回到机械压力调节器370的上游侧来缓冲该尖峰。作为其它备选方案，一个或多个过压排气口或旁路止回阀可被包括在管线375和/或376中，以帮助转移汽化尖峰，否则汽化尖峰会传播并破坏大型发动机节气门10的控制。类似地，由于机械压力调节器上游的燃料汽化导致的压力尖峰也可排放到大气环境和/或转移到燃料供应源350中更上游的其它安全壳。
通过提供用于控制这种游走的压力尖峰的多方面策略，即通过在管线365中包括热交换器以及一个或多个如上所述的排气口、止回阀等，优选实施例控制和调节引入到供应入口390的压力，以减少或防止大型发动机节气门10的流量控制的过载。
备选地，燃料箱360可实施为许多通常可获得的气体燃料源中的任何一种，诸如固定的气体管线、压缩气体钢瓶或具有汽化控制器的其它类型的液化储存箱，以及常规的压力调节器等。优选地，大多数这样的备选方案仍然包括某种形式的燃料储存箱360，该燃料储存箱360经由高压机械压力调节器370将燃料供给到大型发动机节气门10，该高压机械压力调节器370将压力调节到供应入口390的期望范围。
同样，从高压机械压力调节器370，燃料通过燃料管或供应管线375供给，燃料管或供应管线375优选地包括如图所示的截止闸阀380。在截止闸阀380的下游，燃料供应管线376在供应入口390处连接到大型发动机节气门10，在该点处，燃料优选地被引入大型发动机节气门10的气体供应节气门20。
本领域技术人员应当理解，供应管线375还可包括燃料过滤器(未示出)或其它常规***，用于在引入大型发动机节气门10中之前监测和/或优化燃料供应条件。这样的其它***可包括例如连接到发动机控制模块(ECM)100和/或大型发动机节气门10的PCB900的燃料质量传感器，用于预测操作需求。燃料供应源350还可包括几个独立压力调节器370的组合(而不是仅仅一个)，或者可包括与燃料储存箱360成一体的附加压力调节器。
再次参考如图10所示的优选实施例，大型发动机节气门10包括燃料供应源350。在大发动机节气门10下游，供应的燃料流然后与空气160混合，用于向内燃发动机102供应气态燃料-空气混合物150。虽然图10的布置是优选的，但是根据本发明的一些更广泛的教导的备选实施例可备选地将一些或所有所需的空气引入大型发动机节气门10上游的燃料中(如由备选空气混合流箭头260’所暗示)，尽管存在相应的挑战和可能的折衷，因为可能需要相应的调整来解决在其被引入的任一点处气流引入的问题。
气体供应节气门20
经由由虚线101所示的通信链路链接到发动机102的ECM100，气体供应节气门20适于响应于流量信号105在其出口170处提供对实际/>供应流量的快速和高度精确的控制，用于向燃料-空气混合器161以及随后向发动机102的燃料供应的受控递送。就其本质而言，气体供应节气门20用于控制从主燃料供应源350(图10中的左侧上)到内燃发动机102(图10中的右侧上)的气体供应流。因此，气体供应节气门20操作性地定位在燃料供应源350的下游和燃料-空气混合器161和发动机102的上游，使得在发动机102操作期间，气体供应节气门20被安装并密封为流体连续燃料供应***的一部分，气体供应节气门20在燃料供应源350和发动机102中间。在随后的段落中参照另外的附图对大型发动机节气门10进行详细描述。
为了进一步优化，块内微控制器930和相关控制电路优选地实施在单个印刷电路板900上(在图9中也可见)。PCB900的块内微控制器930经由数据链路101连接，以从ECM100接收数据信号105(以及所有其它可用数据，如果需要，包括P3数据信号121，如本文别处所讨论的)。数据链路101连接到ECM100及其控制网络，在优选实施例中，控制网络是CAN网络。使用接收到的数据信号105、120，印刷电路板900控制大型发动机节气门10，优选地除了到发动机的ECM100的电源和数据连接101之外没有任何外部通信。尽管“CAN”在技术上是控制器局域网的缩写，但“CAN”参照是常用的技术术语，它是指CAN网络或经由CAN网络接收的数据。在这一点上，应该认识到，尽管对于通过线路101由微控制器930从节气门***10外部接收的所有命令、变量和其它数据的通信来说，CAN网络是优选的通信链路，但是无线、模拟信号、数字信号或其它通信手段可用作备选方案，同时仍然包含本发明的许多方面。
还位于PCB900上的是CAN网络连接器960(在图2B中可见)。本领域技术人员应当理解，CAN网络连接器960是五引脚连接器。这五个引脚包括电源引脚、接地引脚、CAN正引脚、CAN负引脚和CAN端接引脚。本领域技术人员应当理解，备选实施例可为直接(0-5V或5-20毫安)数据连接或数据连接的任何其它已知的备选方案，这些备选方案以其它方式适用于诸如大型发动机节气门10的应用。备选实施例可具有八引脚连接器，而不是用于CAN网络的五引脚连接器。
在优选实施例中，通过将其导管(或者作为备选方案，来自那里的管)的尖端定位成与节气门室205(在图4中示出)直接流体接触，同时换能器950的基部直接安装在PCB900上，从双面换能器(“压差传感器”)950获得最佳的流体条件反馈。交叉参照图2B，压差传感器950测量上游压力端口230和下游压力端口240之间的压差(“ΔP”)。压力传感器951测量来自端口230的绝对上游压力(“P1”)。压力传感器952测量来自端口240的绝对下游压力(“P2”)。进一步交叉参照图2B，压力传感器951和952的导管端部从PCB900延伸穿过节气门室205的侧壁中适当定位的传感器端口230和240。为了最小化换能器950-952的堵塞或其它污垢，端口230和240优选地在节气门室205的侧隔室中，并且通过使用向下倾斜的通路或已知用作污染防止器的其它措施来屏蔽。
交叉参照图6，通过将热敏电阻600的传感器尖端601直接定位在节气门室205内，同时热敏电阻600的基部602直接软钎焊到热敏电阻PCB610，获得最佳流体条件反馈。热敏电阻600是一种常规的热敏电阻，该热敏电阻在其尖端601检测温度，并具有延伸到传感器尖端601的导线，尽管其它形式的温度传感器(或者甚至用于除温度之外的流体条件的传感器等)也可被考虑用作一些相同目的的备选方案。
在块内微控制器930的整个控制过程中，本发明的实施例通过克服现有技术的许多限制和挑战的创新方法解决了该领域中长期以来未解决的需求。根据本发明的许多教导，该行业能够提供在大型发动机控制***中表现出的解决方案，该大型发动机控制***易于适应许多应用的功率需求，并且易于能够在内燃发动机中相当大的动态功率范围内高度准确和精确地控制供应流量。
发动机102
再次参照图10，发动机102是使用气体燃料作为其主要能量源的类型、最优选地使用天然气(NG)或汽化丙烷(LPG)作为其燃料的类型的大型火花点火式内燃发动机102。大型发动机在这里被定义为30升或更高的任何发动机。发动机102优选地用于诸如在天然气压缩滑行装置(skid)上的发电机组(以下称为“机组”)的固定应用中。备选地，发动机102可用于诸如火车、船舶、采矿卡车或其它重型交通工具的大型移动应用中。如常规的那样，发动机102具有ECM100或等效物，其持续地监测发动机102及其******的各个部分的操作状况。在备选实施例中，这样的发动机102可操作性地结合在许多动力应用中，以及本领域中现在或将来已知的可由火花点火式气体燃料内燃发动机提供动力的很多其它应用中。
发动机102的ECM100经由数据通信线路181-182或其它常规装置连接，以监测发动机102的许多子***中或周围的压力、温度和操作状态，诸如其燃料空气处理***(优选地包括涡轮增压器172)、燃料空气节气门140、其点火***、其燃烧室180、其冷却剂***、其油压和其排气***以及本领域已知的其它***。尽管备选实施例可使用无线连接用于ECM100和发动机102的各种子***之间的一些或全部数据连接，但是ECM100的优选实施例连接成通过线束或其它形式的通信线路101、181、182、182a、182b、371和381发送和接收模拟或数字信号。尽管在图10中由直接在各种部件之间的各种虚线通信链路表示，但是通信线路101、181、182、182a、182b、371和381优选地以常规数据网络的形式来实施，诸如控制器局域网(“CAN”)网络。
本领域技术人员应当理解，ECM100被编程为部分地操作以基于发动机102的当前操作条件而不是当前用户需求在任何给定的时刻确定期望的供应流量(或“mdot”)105。当期望的/>流量由ECM100确定时，ECM产生相应的/>数据信号105，该信号代表发动机102的当前/>流量需求。当期望的/>流量由ECM100确定时，相应的/>数据信号105通过通信链路101传送到大型发动机节气门10的微控制器930，并且大型发动机节气门10操作性地用于瞬时和精确地从节气门***出口170递送尽可能多的流。
在通过大型发动机节气门10进行流量控制之后，来自节气门***出口170的气体供应的受控流被引导到燃料-空气混合器161，在那里，气体供应优选地与空气160混合，以产生可燃的燃料-空气混合物150。优选实施例使用经过滤的空气流160。在具有或不具有压力补偿器的备选实施例中，引导到燃料-空气混合器161中的进气160可从环境空气中抽取，尽管存在性能折衷。燃料-空气混合器161优选地为文氏里管状混合器或在供应流中不使用运动部件的另一种类型，从而最大化实际递送到燃烧室180的流动条件的耐久性和燃料/空气混合物的均匀性。最优选地，燃料-空气混合器161是包括燃料环的形式，以有助于保持由节气门***10提供的精确流量控制的益处。/>
一旦燃料-空气混合器161提供了合适的燃料-空气混合物150，该混合物150就流向发动机102。燃料-空气混合物150通过涡轮增压器172。涡轮增压器172从涡轮前排气171接收再循环气体，将其与燃料-空气混合物150混合并压缩。在离开涡轮增压器172之后，燃料-空气混合物150通过涡轮后冷却器174。涡轮后冷却器174在燃料-空气混合物150进入发动机102之前对其进行冷却。有必要降低燃料-空气混合物的温度，以允许更密集的进气进入发动机102，从而增加发动机102的输出。涡轮后排气173流入三元催化转化器(TWC)175。本领域技术人员应当理解，TWC175在排气释放到环境中之前减少了污染物。尽管在附图中没有示出，但是本领域技术人员应当理解，优选实施例将包括未示出的各种部件。此外，类似过滤器和减压阀的其它部件也未示出。关于附图中的任何这种简化和省略，应当理解，优选实施例包括它们在本领域技术人员的判断力范围内通常理解的特征和构型。
燃料-空气混合物150的流量由燃料-空气节气门140控制，燃料-空气节气门140优选地为电子节气门，其进一步有利于保持由图10中的供应节气门10提供的高度精确的流量控制。因此，燃料-空气节气门140优选地也构造成具有与节气门10相同的基本结构和软件，尽管优选地具有适应将在混合器161的下游经历的不同压力范围的改型，并且可能具有针对更浓燃料的腐蚀作用(如将在混合器161的上游遇到的那样)的对内部部件的更少保护。因为图10安装并使用节气门10来控制燃料本身的质量流量，所以这种类型的节气门部署有时被称为气体质量流量节气门(或“MFG”节气门)。相反，用于实现燃料-空气混合物150的质量流量的高度精确控制的燃料-空气节气门140有时被称为空气质量流量节气门或“MFA”节气门，而不管在该控制点燃料是否与空气混合。
优选地，燃料-空气节气门140也根据本发明的教导构造，具有与供应流节气门10相同的基本结构，该供应流节气门10用作MFG节气门以单独控制燃料的质量流量。因此，图10中的MFG节气门10的高度精确的燃料供应流量优选地与根据与MFG节气门10相同的基本教导构造的燃料空气节气门140实现的高度精确的空气供应质量流量控制相结合。备选地，通过将MFG节气门和安装在燃料-空气混合器161上游的空气供应源160中的MFA节气门组合在一起，也可实现完全和高度精确的质量流量控制。这样的组合，或者是图10中所示的组合，或者是使用类似的节气门来单独控制空气160的质量流量的备选组合，能够对用于燃烧的所有供应流进行全面的质量流量控制。此外，如果使用其它可靠的数据来计算空气的质量流量，诸如通过结合压力、温度等使用氧传感器，则通过仅控制燃料的质量流量而不主动控制空气的质量流量，通常可能也能够实现精确的总体控制。无论具体应用的选择如何，我们相信本领域的技术人员将理解在哪里以及如何包括用于不同目的的这种节气门，以实现总体质量流量控制的不同组合。
无论如何选择，所得的燃料-空气混合物150然后在ECM100的控制下操作性地引入发动机102的燃烧室180。在燃烧室180内，燃料-空气混合物150然后操作性地火花点火以引起工作燃烧。
令人惊讶的是，这样的MFG节气门与这样的MFA节气门的结合使用能够实现发动机的大大简化的开发周期。尽管大型天然气火花点火式内燃发动机在商业发布前以往需要花费大量的时间和费用来完成和验证发动机设计，但是本发明的高度精确的质量流量控制能够实现可想象的大大简化的开发，而不需要任何测试单元费用。尽管工业上可能会继续使用测试单元来完成设计，但是由本发明实现的精确控制将允许在过程中有更宽松的标准，更不用说尽管燃料质量、空气成分和其它环境因素的质量变化很大，但仍能实现高度精确的质量流量控制。
节气门控制策略
本领域技术人员应当理解，下面的质量流量方程用于描述气体通过孔口的非阻塞流动。方程(1)是理想气体的质量流量方程，并且方程(2)使用气体压缩因子“Z”来校正真实气体的质量流量。
(1)
(2)
在这些方程中,是质量流量；“C”是无量纲孔口流量系数；“A2”是孔口孔的横截面积(“有效面积”)；“ρ1”是上游真实气体密度；“P1”是上游气体压力；“k”是比热比；“P2”是下游气体压力；“M”是气体分子质量；“T1”是绝对上游气体温度；“Z”是在“P1”和“T1”下的无量纲气体压缩因子；并且“R”是通用气体定律常数。
参照图10，节气门控制算法990确定使用方程(2)获得期望的流量所需的A2“有效面积”。如前所述测量P2、P1和T1，并且在方程(2)中使用这些值。当参数改变时，微控制器930不断地利用节气门控制算法990来获得精确的/>流量。一旦通过节气门控制算法990确定了“有效面积”A2，就向无刷马达700发送信号。无刷马达700是致动器，其控制节气门轴710的移动，从而调节气体供应节气门20的节气门叶片210，直到获得期望的“有效面积”A2。无刷马达700优选地是快速动作致动器，其优选地可操作以在50毫秒或更短时间内移动节气门叶片210通过其整个运动范围。快速动作致动器优选地可操作以在50毫秒或更短的时间内移动被致动的元件通过其可操作运动范围的大部分(优选地从该行程的20％到80％，如果不是该可操作范围的全部的话)，尽管许多其它类型的致动器仍然可能适合作为备选，尤其是在特定的权利要求要素没有明确地否认需要特定的快速动作特性的情况下。
操作压力-低压
尽管应当理解，可对其它上游条件进行调整，但是在供应入口390处的供应管线376中的压力优选地由机械压力调节器370控制为大约在略高于一个大气压的表压，尽管当节气门10用作MFG节气门时，压力可高达2.5巴绝对压力，或者在MFA应用的情况下高达4巴绝对压力。
尽管对于高度精确的质量流量控制来说不是必需的，但是控制大型发动机节气门10的一些方法也可部分地根据甚至更下游的实际或估计的流体条件来进一步调整，以实现期望的控制，诸如通过下游传感器121监测压力(出于我们的目的被指定为“P3”)，该压力由ECM100监测，并且该压力的代表性数据信号120可从ECM100(或从与ECM 100相关联的数据网络)连续获得。数据信号120的特定P3值代表来自发动机102的任何可用数据流，该数据流是发动机102内预燃烧流体压力的特征。这种下游传感器121可为位于燃料-空气节气门140下游的发动机进气歧管中的常规温度和歧管绝对压力(TMAP)传感器模块。除了常规的TMAP传感器121之外或者作为其备选方案，还可从燃料-空气节气门140上游的常规节气门入口压力(TIP)传感器模块收集下游数据。同样，尽管对于本发明的一些变型而言，知道更远的下游压力P3有看似合理的好处，但是节气门10的大多数优选实施例由于不必要而省略了对来自传感器121的P3数据的考虑，而是选择简单和节省成本。
备选燃料
用于这些目的的气体燃料是指在标准操作温度和压力下呈气态的燃料。在目前优选的实施例中，气体燃料是天然气，其来源于液化天然气(LNG)或压缩天然气(CNG)储存状态。虽然最优选的实施例适于与这些燃料一起使用，但是在备选实施例中，对本发明的方面与其它燃料一起使用的改变对于本领域技术人员来说是显而易见的。这种备选实施例适于例如与氢气或诸如丙烷、丁烷或其它气体混合物的其它气体燃料一起使用，包括通常对于液化石油气(LPG)混合物常见的那些。事实上，尽管本发明集中于优选实施例所应用的特定领域，但是本发明的一些方面也可能在其它领域中被发现是革命性的，这也是很有可能的。
一般备选方案
虽然前面的描述和附图应该使普通技术人员能够制造和使用目前被认为是本发明的最佳模式的实施例，但是它们在所有方面应该被认为是说明性的而不是限制性的方式。本领域普通技术人员将理解和意识到存在无数种修改、变化、变型、组合、重新布置、替换、替代、设计选择和等效物(“备选方案”)，其中的大部分(若非全部)可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出。
因此，本发明不受所描述的实施例和示例的限制，而是涵盖了如权利要求所述的本发明的有效范围和精神内的所有可能的实施例，因为权利要求可在相关诉讼的过程中被修订、替换或以其它方式修改。任何当前、修订或添加的权利要求应被理解为涵盖对于本领域技术人员来说可能显而易见的(无论是目前已知还是后来发现的)所有进一步的修改、变化、重新布置、替换、替代、设计选择和实施例。在任何情况下，所有等效物到如下的程度应被认为在本发明的范围内，即在诉讼期间明确地表示弃权或者对于保留根据现有技术的特定权利要求的有效性是必需的。

Claims (16)

1.一种用于内燃(IC)发动机的节气门组件，包括：
节气门主体，所述节气门主体包括流体入口、流体出口，以及连接所述流体入口和所述流体出口的流体通路；
节气门叶片，所述节气门叶片能够移动地定位在所述流体通路内，其中，在所述节气门叶片和所述流体通路之间限定节气门流动开口的有效面积；
致动器，所述致动器安装到所述节气门主体并且联接到所述节气门叶片，所述致动器被构造成控制所述节气门叶片的位置；以及
控制电路，所述控制电路包括：
多个压力传感器，所述多个压力传感器被构造成获取所述流体通路的压力读数，以及
控制器，所述控制器与所述多个压力传感器和所述内燃发动机的发动机控制模块(ECM)通信，所述控制器被构造成：
从所述发动机控制模块接收从所述流体出口排放的流体的期望排放流量，
基于来自所述多个压力传感器的压力读数，选择所述多个压力传感器中的至少一个压力传感器以便在所述节气门组件的操作中使用，
基于来自所述多个压力传感器中的所述至少一个压力传感器的读数，计算与所述期望排放流量对应的、所述节气门流动开口的期望有效面积，以及
控制所述致动器以将所述节气门叶片定位在一位置以形成所述节气门流动开口的所述期望有效面积。
2.根据权利要求1所述的节气门组件，其中，所述多个压力传感器包括压差传感器，所述压差传感器被构造成测量跨过所述节气门叶片的压差，其中，所述压差传感器是：
安装到所述控制电路的印刷电路板；以及
被构造成通过与设置在所述节气门叶片上游的所述节气门主体的上游压力端口和设置在所述节气门叶片下游的所述节气门主体的下游压力端口相联接来测量跨过所述节气门叶片的所述压差。
3.根据权利要求1所述的节气门组件，其中，所述多个压力传感器包括：
上游压力传感器，所述上游压力传感器设置成经由所述节气门主体的上游端口来获取所述节气门叶片上游的压力读数；以及
下游压力传感器，所述下游压力传感器设置成经由所述节气门主体的下游端口来获取所述节气门组件下游的压力读数。
4.根据权利要求3所述的节气门组件，其中：
所述多个压力传感器还包括压差传感器，所述压差传感器被构造成经由所述上游端口和所述下游端口来测量跨过所述节气门叶片的压差；以及
在选择所述多个压力传感器中的所述至少一个压力传感器以便在所述节气门组件的操作中使用时，所述控制器被构造成基于来自所述多个压力传感器的压力读数来选择(i)所述上游压力传感器和所述下游压力传感器或者(ii)所述压差传感器。
5.根据权利要求4所述的节气门组件，其中，在选择所述多个压力传感器中的所述至少一个压力传感器以便在所述节气门组件的操作中使用时，所述控制器还被构造成：
确定跨过所述节气门叶片的所述压差是否在预定范围内；
响应于确定跨过所述节气门叶片的所述压差是在所述预定范围内，使用来自所述压差传感器的压力读数来计算与所述期望排放流量对应的、所述节气门流动开口的所述期望有效面积；以及
响应于确定跨过所述节气门叶片的所述压差是在所述预定范围外，使用来自所述上游压力传感器和所述下游压力传感器的压力读数来计算与所述期望排放流量对应的、所述节气门流动开口的所述期望有效面积。
6.根据权利要求1所述的节气门组件，其中，在选择所述多个压力传感器中的所述至少一个压力传感器以便在所述节气门组件的操作中使用时，所述控制器还被构造成：
基于来自所述多个压力传感器的读数来确定跨过所述节气门叶片的压差；
确定所述压差是否在预定范围内；以及
基于所述压差是否在所述预定范围内，选择所述多个压力传感器中的所述至少一个压力传感器以便在操作所述节气门组件时使用。
7.根据权利要求1所述的节气门组件，其中：
由所述节气门组件所控制的所述流体的特性存储到所述控制器；
所述控制电路还包括温度传感器，所述温度传感器被构造成获取所述流体通路的温度读数；所述期望排放流量为质量流量值；以及
所述控制器还被构造成使用来自所述温度传感器的温度读数、所述流体的所述特性以及来自所述至少一个压力传感器的压力读数来计算与所述期望排放流量对应的、所述节气门流动开口的所述期望有效面积。
8.一种用于操作内燃(IC)发动机的节气门组件的方法，所述方法包括：
提供所述节气门组件的节气门主体，所述节气门主体包括流体入口、流体出口，以及连接所述流体入口和所述流体出口的流体通路；
提供节气门叶片，所述节气门叶片能够移动地定位在所述流体通路内，其中，在所述节气门叶片和所述流体通路之间限定节气门流动开口的有效面积；
提供致动器，所述致动器安装到所述节气门主体并且联接到所述节气门叶片，所述致动器被构造成控制所述节气门叶片的位置；
提供控制电路用于所述节气门组件，所述控制电路包括：
多个压力传感器，所述多个压力传感器被构造成获取所述流体通路的压力读数，以及
控制器，所述控制器与所述多个压力传感器和所述内燃发动机的发动机控制模块(ECM)通信：
通过所述控制器，从所述发动机控制模块接收从所述流体出口排放的流体的期望排放流量；通过所述控制器，基于来自所述多个压力传感器的压力读数来选择所述多个压力传感器中的至少一个压力传感器以便在所述节气门组件的操作中使用；
通过所述控制器，基于来自所述多个压力传感器中的所述至少一个压力传感器的读数来计算与所述期望排放流量对应的、所述节气门流动开口的期望有效面积；以及
通过所述控制器，调节所述致动器以将所述节气门叶片定位在一位置以形成所述节气门流动开口的所述期望有效面积。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个压力传感器包括压差传感器，所述压差传感器被构造成测量跨过所述节气门叶片的压差，其中，所述压差传感器是：
安装到所述控制电路的印刷电路板；以及
被构造成通过与设置在所述节气门叶片上游的所述节气门主体的上游压力端口和设置在所述节气门叶片下游的所述节气门主体的下游压力端口相联接来测量跨过所述节气门叶片的所述压差。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个压力传感器包括：
上游压力传感器，所述上游压力传感器设置成经由所述节气门主体的上游端口来获取所述节气门叶片上游的压力读数；以及
下游压力传感器，所述下游压力传感器设置成经由所述节气门主体的下游端口来获取所述节气门组件下游的压力读数。
11.根据权利要求10所述的方法，其中：
所述多个压力传感器还包括压差传感器，所述压差传感器被构造成经由所述上游端口和所述下游端口来测量跨过所述节气门叶片的压差；以及
通过所述控制器来选择所述多个压力传感器中的所述至少一个压力传感器以便在所述节气门组件的操作中使用包括：基于来自所述多个压力传感器的压力读数来选择(i)所述上游压力传感器和所述下游压力传感器或者(ii)所述压差传感器。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过所述控制器来选择所述多个压力传感器中的所述至少一个压力传感器以便在所述节气门组件的操作中使用还包括：
通过所述控制器来确定跨过所述节气门叶片的所述压差是否在预定范围内；
响应于确定跨过所述节气门叶片的所述压差是在所述预定范围内，使用来自所述压差传感器的压力读数来计算与所述期望排放流量对应的、所述节气门流动开口的所述期望有效面积；以及
响应于确定跨过所述节气门叶片的所述压差是在所述预定范围外，使用来自所述上游压力传感器和所述下游压力传感器的压力读数来计算与所述期望排放流量对应的、所述节气门流动开口的所述期望有效面积。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，通过所述控制器来选择所述多个压力传感器中的所述至少一个压力传感器以便在所述节气门组件的操作中使用还包括：
通过所述控制器，基于来自所述多个压力传感器的读数来确定跨过所述节气门叶片的压差；
通过所述控制器，确定所述压差是否在预定范围内；以及
通过所述控制器，基于所述压差是否在所述预定范围内来选择所述多个压力传感器中的所述至少一个压力传感器以便在操作所述节气门组件时使用。
14.根据权利要求8所述的方法，其中：
由所述节气门组件所控制的所述流体的特性存储到所述控制器；
所述控制电路还包括温度传感器，所述温度传感器被构造成获取所述流体通路的温度读数；
所述期望排放流量为质量流量值；以及
通过所述控制器来计算与所述期望排放流量对应的、所述节气门流动开口的所述期望有效面积是使用来自所述温度传感器的温度读数、所述流体的所述特性和来自所述至少一个压力传感器的压力读数来进行的。
15.一种用于控制进入内燃(IC)发动机的流体的节气门组件，包括：
节气门主体，所述节气门主体包括流体入口、流体出口，以及连接所述流体入口和所述流体出口的流体通路；
节气门叶片，所述节气门叶片能够移动地定位在所述流体通路内，其中，在所述节气门叶片和所述流体通路之间限定节气门流动开口的有效面积；
致动器，所述致动器安装到所述节气门主体并且联接到所述节气门叶片，所述致动器被构造成控制所述节气门叶片的位置；
上游压力传感器和下游压力传感器，所述上游压力传感器被构造成获取所述节气门叶片上游的所述流体通路的压力读数，所述下游压力传感器被构造成获取所述节气门叶片下游的所述流体通路的压力读数；
温度传感器，所述温度传感器被构造成获取所述流体通路的温度读数；以及
控制器，所述控制器与所述上游压力传感器和下游压力传感器、所述温度传感器以及所述内燃发动机的发动机控制模块(ECM)通信，其中，由所述节气门组件所控制的所述流体的特性存储到所述控制器，并且所述控制器被构造成：
从所述发动机控制模块接收从所述流体出口排放的流体的期望排放质量流量，
使用来自所述温度传感器的温度读数、来自所述上游压力传感器和所述下游压力传感器的压力读数以及所述流体的所述特性来计算所述节气门流动开口的期望有效面积用于提供所述期望排放质量流量，以及
控制所述致动器以将所述节气门叶片定位在一位置以形成所述节气门流动开口的所述期望有效面积。
16.根据权利要求15所述的节气门组件，其中：
所述流体的所述特性包括比热比、分子质量和气体密度中的至少一种；
所述节气门组件还包括压差传感器，所述压差传感器被构造成测量跨过所述节气门叶片的压差；以及
所述控制器还被构造成：
基于来自所述压力传感器的压力读数来选择(i)所述上游压力传感器和所述下游压力传感器或(ii)所述压差传感器，以及
使用来自所选择的一个或多个压力传感器的读数来计算所述节气门流动开口的所述期望有效面积。
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