Дроссель массового расхода для больших двигателей на природном газе

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Дроссель для двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, обеспечивает регулирования массового расхода потока подаваемого газа для двигателя на основе сигнала управления двигателем, который представляет мгновенный требуемый массовый расход для потока подаваемого газа. Подаваемым газом является воздух или газообразное топливо, или сочетание топлива и воздуха. Дроссель содержит единый блочный узел с впускным отверстием (390) для подаваемого потока, выпускным отверстием (170) и с двумя отверстиями (230), (240) для отбора давления и непрерывным проточным каналам между впускным отверстием (390) и выпускным отверстием (170). Дроссель имеет дроссельную заслонку (210), подвижно расположенную в проточном канале. Имеется быстродействующий поворотный актуатор, установленный на единый блочный узел. Поворотный актуатор имеет вращающийся приводной вал (710), соединенный за одно целое с дроссельной заслонкой (210). Поворотный актуатор приводит в действие приводной вал (710), управляет положением дроссельной заслонки (210) и регулирует размер эффективной площади проточного отверстия дросселя. Имеется схема управления связанная платой печатного монтажа. Схема управления содержит микроконтроллер, датчики давления и термистор. Первое отверстие (230) для отбора давления открыто для сообщения с непрерывным проточным каналом в месте выше по потоку от дроссельной заслонки (210). Второе отверстие (240) для отбора давления открыто для сообщения с проточным каналом в месте ниже по потоку от дроссельной заслонки (210). Первый датчик давления связан с первым отверстием (230) для отбора давления. Второй датчик давления связан со вторым отверстием (240) для отбора давления. Третий датчик давления определяет разницу в давлении между двумя местоположениями в проточном канале. Термистор определяет температуру газообразного потока в проточном канале. Микроконтроллер принимает сигнал управления двигателем, представляющего мгновенный требуемый массовый расход для потока подаваемого газа. Микроконтроллер управляет работой поворотного актуатора. Микроконтроллер запрограммирован для координации работы дросселя. Микроконтроллер изменяет срабатывание поворотного актуатора для уменьшения массового расхода потока подаваемого газа, который соответствует мгновенному требуемому массовому расходу для потока подаваемого газа. Раскрыто средство регулирования подаваемого потока для двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Технический результат заключается в повышении точности регулирования массового расхода, несмотря на колебания давления во время работы в недросселированном потоке. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 14 ил.

 

Испрашивание приоритета по предыдущей заявке

[0001] В данной заявке испрашивается приоритет по дате подачи заявки на патент США 62/636.382, поданной 28 февраля 2018, озаглавленной "Дроссель массового расхода для больших двигателей на природном газе", полное содержание которой, таким образом, включено сюда путем ссылки во всей ее полноте.

Область техники, к которой относится изобретение

[0002] Настоящее изобретение, в первую очередь, относится к дросселю для больших двигателей на природном газе. В частности, оно принадлежит к дросселю для регулирования массового расхода в камеры сгорания для больших двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием на газообразном топливе, в частности, для стационарных промышленных установок, а более конкретно, во время работы в недросселированном потоке низкого давления.

Уровень техники

[0003] Дроссельные клапаны длительное время использовались в больших двигателях на природном газе, но существующие стратегии управления имеют тенденцию быть недостаточными. Более точное регулирование расхода необходимо для того, чтобы получать оптимально эффективное сжигание топлива на основе запросов модуля управления двигателем (ECM). Точно регулируемых массовых расходов трудно добиваться, особенно с недросселированным потоком. Электронные дроссели обычно используются в больших двигателях для регулирования массовых расходов топлива и воздуха. Усовершенствования ECM значительно улучшили способность оптимизации эффективности и рабочей характеристики и минимизировали проблемы выбросов с двигателями внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Посредством непрерывного наблюдения многочисленных датчиков и входных сигналов ECM могут балансировать текущие команды оператора относительно рабочих условий, чтобы определять наиболее идеальные обеспечиваемые расходы, необходимые для двигателя в любой заданный момент времени.

[0004] Знание идеального расхода и его обеспечение, однако, являются двумя очень разными вещами. Даже если современные ECM могут знать идеальный расход в любой заданный момент времени, практические источники топлива предшествующего уровня техники не приспособлены для согласованной его подачи мгновенно по запросу на протяжении всего своего диапазона работы. Самые лучшие из доступных регулировок заявляют обеспечение 1% точности заданной величины, что означает, что они заявляют предоставление фактического расхода подачи в пределах приблизительно 1% требуемого расхода. Способность согласованно обеспечивать расход подаваемого газа с 1% точностью заданной величины считается очень точной и была бы идеальной, но притязания на этот результат имеют тенденцию быть лишь частью истории.

[0005] С предшествующим уровнем техники высшие точности заданной величины имеют тенденцию быть полученными только в ограниченном диапазоне работы, что означает, что заявленные точности, как правило, являются ненадежными, особенно для двигателей, имеющих большие динамические диапазоны мощности. ("Динамический диапазон мощности" двигателя является отношением максимальной мощности к минимальной мощности, в котором двигатель будет работать, как указано, который зависит в значительной степени от эффективного динамического диапазона регулирования ассоциированной системы подачи топлива). Что касается источников топливоснабжения, предоставляющих 25 граммов/секунду на верхнем конце своего рабочего диапазона, например, один процент будет четвертью грамма/секунду (0,25 г/с). В то время как калибровка одного из лучших доступных клапанов до погрешности четверть грамма/секунду может быть осуществимой для умеренных расходов, тот же источник топливоснабжения часто должен также простаивать при приблизительно четверти грамма/секунду на противоположном конце своего рабочего диапазона, так что та же погрешность четверть грамма/секунду будет очень неточной для почти холостых расходов. Хотя точное регулирование иногда считается более легким для осуществления с более низкими расходами, 1% точность заданной величины при холостом расходе в четверть грамма/секунду потребует точности в пределах ±0,0025 г/с. Таким образом, в то время как дроссели расхода воздуха предшествующего уровня техники заявляют обеспечение очень точных расходов в указанных частях своих общих рабочих диапазонов, длительное время было недостижимым осуществление именно этого для обоих концов рабочего диапазона и всего, что между ними, особенно для таких больших диапазонов в реальных условиях работы.

[0006] Комплексное взаимодействие слишком многих реальных переменных нарушает стремление к согласованно высоким точностям заданных величин для полного диапазона для массовых расходов подаваемого газа. Износ, утечки, времена задержки, сбои, засоры, шум, искажения и общая изменчивость, все имеет тенденцию происходить в реальном времени. Внешние температуры и широкая изменчивость в газообразном топливе и составах воздуха дополнительно усугубляют проблемы.

[0007] Кроме того, даже если совершенство было достижимым в самом регулировании расхода источника подаваемого газа, точности расхода могут быть нарушены колебаниями давления выше по потоку и ниже по потоку также, особенно, когда поток через дроссель не является запертым. Так как газообразные текучие среды являются сжимаемыми, события ниже по потоку, относящиеся к сжиганию или перемещениям клапана и поршня, могут вызывать волны давления, которые создают значительные колебания расхода. Колебания верхнего по потоку давления могут быть в равной степени проблематичными, особенно при регулировании расхода превратившихся в пар жидких видов топлива (например, LNG или LPG) или для форсированных или имеющих турбонаддув систем.

[0008] Таким образом, длительное время была необходимость в дросселе, который может точно и согласованно обеспечивать массовые расходы по запросу ECM в области систем газоснабжения для больших двигателей с искровым зажиганием, даже во время регулировки недросселированных потоков, которые являются обычными с подаваемыми потоками низкого давления, но которые также возникают во многих сценариях высокого давления. Для большего опыта в свете регулирования запертого массового потока обратимся к патенту США № 9,957,920, копия которого содержится в данном документе по ссылке в своей полноте.

Сущность изобретения

[0009] Специалистам в области техники станет очевидно, что вдумчивое использование изобретения и вариантов осуществления, описанных в данном документе, решит вышеупомянутые и многие другие неудовлетворенные трудности, проблемы, препятствия, ограничения и задачи, особенно когда рассматриваются в свете дополнительных описаний ниже, обсуждаемых в контексте всестороннего понимания предшествующего уровня техники.

[00010] Настоящее изобретение осуществляет именно это, предоставляя возможность быстродействующего, очень точного регулирования расхода подаваемого газа для больших двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием, которое является особенно полезным для двигателей, которые используют природный газ в качестве источника топлива. Газообразное топливо предпочтительно доставляется либо из состояния хранения сжиженного природного газа (LNG), либо сжатого природного газа (CNG). Большой двигатель определяется здесь как любой двигатель, который является 30-литровым или более. Двигатель предпочтительно используется в стационарных установках, таких как генераторные агрегаты (далее в данном документе "генераторные установки"). Альтернативно, двигатель может быть использован в больших мобильных установках, таких как самосвалы для горных работ, корабли, поезда или другие транспортные средства большой грузоподъемности. Хотя предпочтительные варианты осуществления типично работают, чтобы регулировать недросселированный поток, часто в установках низкого давления, они, тем не менее, добиваются очень точного регулирования массового расхода. Наши цели включают в себя предоставление возможности такого регулирования расхода в ответ на мгновенные сигналы-запросы от ECM двигателя, в то же время согласованно поддерживая высокую точность в течение больших динамических диапазонов мощности, несмотря на большинство колебаний давления выше по потоку, ниже по потоку и даже в середине потока.

[00011] Возможные варианты осуществления могут обнаруживаться в многочисленных различных сочетаниях и в многочисленных различных видах усовершенствованных машин, двигателей внутреннего сгорания, систем управления газоснабжением и т.п. Другие возможные варианты осуществления обнаруживаются в способах работы и оптимизации таких машин, двигателей, систем и т.п., также как в других типах способов. Все из различных многосторонних аспектов изобретения и все из различных сочетаний, замен и модификаций этих аспектов могут, каждый по отдельности, рассматриваться в качестве изобретения, если рассматриваются в правильном свете.

[00012] Результирующие сочетания настоящего изобретения не только являются более разносторонними и надежными, но они также приспособлены для достижения большей точности, несмотря на быстро изменяющиеся условия в большем динамическом диапазоне мощности по сравнению с когда-либо ранее достигнутыми с помощью такой простой системы. Различные варианты осуществления улучшают предшествующий уровень техники, включая в себя оптимизацию надежности, возможности производства, затрат, эффективности, легкости эксплуатации, легкости ремонта, легкости адаптируемости и т.п. Хотя варианты осуществления, на которые выполняется ссылка ниже, не предоставляют что-либо отдаленно близкое к исчерпывающему списку, эта спецификация описывает выборочные варианты осуществления, которые считаются осуществляющими множество основных элементов изобретения.

[00013] В соответствии с множеством учений настоящего изобретения, дроссель предоставляется в форме, которая является легко адаптируемой для потребностей в мощности для многочисленных прикладных задач, и является легко приспосабливаемым для достижения очень четкой точности заданной величины для регулирования расходов подаваемого газа на всем протяжении очень больших динамических диапазонов мощности в двигателях внутреннего сгорания. Такие дроссели регулирования расхода и связанные топливные системы существенно отступают от традиционных концепций и проектов предшествующего уровня техники, и, таким образом, предоставляют множество преимуществ и новых отличительных признаков, которые не являются предвидимыми, представляющимися очевидными, предлагаемыми или даже подразумеваемыми чем-либо из предшествующего уровня техники, либо отдельно, либо в любом их очевидном сочетании.

[00014] Вследствие своего инновационного сочетания отличительных признаков и элементов дроссель согласно учениям изобретения выполнен с возможностью согласующегося и надежного осуществления очень точного регулирования массового расхода для различных применений больших двигателей, даже с недросселированным потоком. Некоторые из отличительных признаков и элементов, которые предоставляют возможность того, что результат включает в себя использование единого блочного узла для дросселя и быстродействующий актуатор, плюс единственный единый и жесткий вращающийся вал для привода дроссельной заслонки, поддерживаемый тремя различными подшипниковыми узлами по длине вала, также как обычно содержащийся узел схемы управления вместе с поворотным актуатором, также как и его дросселем, все из которых помогают минимизировать люфт в регулировании. Кроме того, изобретение предпочтительно осуществляется с помощью множества датчиков давления, которые являются по меньшей мере частично избыточными, что предоставляет возможность контроллеру самостоятельно проверять различные датчики в реальном времени.

[00015] Будучи всеобъемлющими, многие другие аспекты, объекты, отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидными специалистам в области техники из содержательного и всестороннего обзора последующих описаний и сопровождающих чертежей в свете предшествующего уровня техники, все до патентоспособной степени. Следовательно, предполагается, что такие аспекты, объекты, отличительные признаки и преимущества также находятся в рамках и духе настоящего изобретения. Однако следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, при указании предпочтительных вариантов осуществления изобретения, даны только в качестве иллюстрации, так как различные расширения, изменения и модификации в духе и рамках изобретения станут очевидными специалистам в области техники из этого подробного описания.

[00016] Фактически, настоящее изобретение будет, в конечном счете, определено относительно одного или более пунктов формулы изобретения или группы пунктов формулы, которая может быть приложена к этой спецификации или к спецификациям, которые заявляют преимущество по отношению к этой спецификации, так как такие пункты формулы изобретения могут быть исправлены, разделены, уточнены, переделаны, заменены, дополнены или т.п. со временем. Даже если соответствующие рамки изобретения зависят от таких пунктов формулы изобретения, эти описания будут порой делать ссылки на "изобретение" или "настоящее изобретение" в качестве вопроса об удобстве, словно эти отдельные рамки являются уже полностью понятными во время этого написания. В действительности, множество независимых и отдельных изобретений могут быть правильно заявлены на основе этой спецификации, так что ссылка на "изобретение" является плавающей ссылкой на все, что определяется окончательной формой соответствующей формулы изобретения. Соответственно, до той степени, до которой эти описания ссылаются на аспекты изобретения, которые отдельно не требуются окончательной формулой изобретения, такие ссылки не должны рассматриваться как ограничивающие или как описывающие эту разновидность изобретения.

[00017] Изобретение, соответственно, не ограничивается в этой заявке деталями конструкции и компоновками компонентов, изложенными в последующих описаниях или иллюстрированными на чертежах. Вместо этого, чертежи являются лишь иллюстративными, и изменения могут быть выполнены в любых деталях, иллюстрированных или описанных, особенно в каких-либо, называемых "предпочтительными". Такие изменения могут быть реализованы, в то же время все еще находясь в духе изобретения. Также следует понимать, что фразеология и терминология, применяемая в данном документе, используются с целью описания и не должны быть расценены как ограничивающие. Другая терминология и язык, которые описывают изобретение и варианты осуществления и их функцию, будут рассматриваться как находящиеся в духе изобретения.

[00018] Изобретение допускает множество других вариантов осуществления и применяется на практике или выполняется множеством других способов. Следует также понимать, что множество других альтернативных вариантов осуществления являются непоказанными и неупомянутыми, которые все еще будут охвачены духом изобретения, которое будет ограничиваться только рамками формулы изобретения, которая может быть оригинальной, дополненной или исправленной в этой или любой другой патентной заявке, которая может в будущем заявлять преимущество по отношению к этой заявке.

Краткое описание чертежей

[00019] Различные признаки и преимущества изобретения будут теперь описаны со ссылкой на чертежи некоторых предпочтительных и альтернативных вариантов осуществления, которые предназначаются, чтобы иллюстрировать, а не ограничивать изобретение, где ссылочные номера могут ссылаться на аналогичные элементы.

[00020] Фиг. 1A и фиг. 1B представляют собой виды в перспективе для предпочтительного дросселя 10 массового расхода.

[00021] Фиг. 2A представляет собой вид спереди предпочтительного дросселя 10 большого двигателя.

[00022] Фиг. 2B представляет собой вид в разрезе предпочтительного двигателя 10 большого двигателя на фиг. 2A, рассеченного по центру по плоскости B-B сечения на фиг. 2A.

[00023] Фиг. 3 представляет собой покомпонентный вид в перспективе предпочтительного дросселя 10 большого двигателя.

[00024] Фиг. 3A представляет собой покомпонентный вид в перспективе дросселя 10' большого двигателя, который является альтернативным вариантом осуществления дросселя 10 на фиг. 3.

[00025] Фиг. 4 представляет собой вид в перспективе узла 20 корпуса дросселя.

[00026] Фиг. 5 представляет собой покомпонентный вид в перспективе пружинного узла 50.

[00027] Фиг. 5A представляет собой покомпонентный вид в перспективе пружинного узла 50' альтернативного варианта осуществления дросселя 10' большого двигателя на фиг. 3A.

[00028] Фиг. 6 представляет собой покомпонентный вид в перспективе узла 60 термистора.

[00029] Фиг. 7 представляет собой покомпонентный вид в перспективе узла 70 электродвигателя и вала дросселя.

[00030] Фиг. 8 представляет собой покомпонентный вид в перспективе узла 80 промежуточного корпуса.

[00031] Фиг. 9 представляет собой покомпонентный вид в перспективе PCB-узла 90.

[00032] Фиг. 10 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую предпочтительный вариант осуществления системы подачи газообразного топлива с MFG-дросселем 20 большого двигателя, функционально объединенным с двигателем 102 внутреннего сгорания, чтобы обеспечивать очень точное регулирование подачи газообразного топлива в этот двигатель 102 в соответствии с различными учениями настоящего изобретения.

Подробное описание иллюстрированных вариантов осуществления

[00033] Последующие примеры описываются для иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления для осуществления изобретения на практике, также как некоторые предпочтительные альтернативные варианты осуществления до такой степени, до которой они кажутся особенно проливающими свет во время этого написания. В ходе понимания этих различных описаний предпочтительных и альтернативных вариантов осуществления специалисты в области техники будут иметь возможность получить большее понимание не только изобретения, но также некоторых различных способов создания и использования изобретения и вариантов его осуществления.

Условные обозначения формулировок

[00034] В целях этого описания несколько упрощений формулировок следует понимать как универсальные, кроме случаев, когда иное уточняется в конкретном контексте, либо в описании, либо в каких-либо пунктах формулы изобретения. В целях понимания описаний, которые могут быть базовыми для изобретения, использование термина "или" следует допускать, чтобы означать "и/или", если явно не указывается ссылка только на альтернативы, или если альтернативы не являются, по существу, взаимоисключающими. При ссылке на значения термин "приблизительно" может быть использован, чтобы указывать приблизительное значение, как правило, значение, которое включает в себя стандартное отклонение ошибки для каких-либо конкретных вариантов осуществления, которые описываются, или которые обычно используются для определения или достижения такого значения. Ссылка на один элемент, часто вводимая с неопределенным артиклем, может означать один или более, если явно не указано иное. Такие значения "один или более" наиболее специально предназначаются, когда ссылки выполняются вместе со словами с открытым концом, такими как "имеющий", "содержащий" или "включающий в себя". Аналогично, "другой" может означать по меньшей мере второй или более. Другие слова или фразы могут иметь определенные значения, либо здесь, либо в сопровождающих описаниях уровня техники или сущности изобретения, и такие определенные значения следует позволять применять, если контекст не предлагает иное.

[00035] Эти описания подчас отмечают и предоставляют точку зрения относительно различных возможных альтернатив, чтобы закреплять то, что изобретение не ограничивается какими-либо отдельными вариантами осуществления, хотя описанные альтернативы являются все еще всего лишь выборочными примерами и не предназначаются, чтобы представлять исчерпывающую идентификацию возможных альтернатив, которые могут быть известны во время этого написания. Описания могут подчас даже ранжировать уровень предпочтения для некоторых альтернатив как "наиболее" или "более" предпочтительная, или т.п., хотя таким ранжированным точкам зрения должна предоставляться малая важность, если изобретение, которое заявлено в конечном счете, неоспоримо не требует именно этого. В действительности, в контексте всего изобретения, ни предпочтительные варианты осуществления, ни какая-либо из упомянутых альтернатив, не должны рассматриваться как ограничивающие, пока наша окончательная формула изобретения неоспоримо не требует соответствующих ограничений без какой-либо возможности для дополнительных эквивалентов, признавая, что множество отдельных элементов такой окончательной формулы изобретения может не потребоваться для нарушения доктрины эквивалентов США или других сравнимых правовых принципов. С другой стороны, даже если изобретение должно предполагаться как покрывающее все возможные эквиваленты для заявленного предмета изобретения, следует, тем не менее, также признать, что один или более отдельных пунктов формулы могут не покрывать все описанные альтернативы, как будет указано либо посредством явного отказа от права во время отстаивания исковых требований, либо посредством ограничений, требуемых для того, чтобы сохранять действительность отдельных пунктов формулы изобретения в свете предшествующего уровня техники.

[00036] На дату написания, структурные и функциональные сочетания, характеризуемые этими примерами, как предполагается, должны представлять действительные предпочтительные режимы практического применения изобретения. Однако в свете настоящего изобретения, специалисты в области техники должны иметь возможность заполнять, корректировать или иначе понимать какие-либо пробелы, неправильные заявления или упрощения в этих описаниях.

[00037] Для описательной ссылки категоризирована точность заданной величины расхода подачи как "в целом, точную", если она постоянно находится в пределах 5% от требуемого расхода на протяжении всего своего рабочего диапазона. Когда постоянно находится в пределах 3% требуемого расхода на протяжении всего диапазона, точность заданной величины может быть категоризирована как "очень точная". В конце концов, когда точность заданной величины постоянно находится в пределах приблизительно 1% требуемого расхода на протяжении всего рабочего диапазона, она может быть классифицирована как "очень точная".

[00038] Также является примечательным, что в то время как многие варианты осуществления могут быть использованы для регулирования массового расхода либо воздуха, либо топлива, или сочетаний воздуха и топлива, эти описания будут обычно ссылаться на регулирование "подаваемого потока", которое следует, в целом, понимать как ссылающееся на регулирование любого такого подаваемого потока, будь то воздух, топливо, либо сочетание. Будет понятно, тем не менее, что дроссель согласно этим описаниям, который предназначается строго для регулирования подаваемого потока топлива, будет подсоединен в месте, отличном от места, где он подсоединяется лишь для регулирования воздуха. Аналогично, дроссель согласно этим описаниям, который применяется для регулирования массового расхода воздуха без топлива, будет подсоединен в месте, отличном от дросселя, который подсоединяется для регулирования смеси топлива и воздуха. Мы в настоящий момент ссылаемся на включение одного дросселя для регулирования только подаваемого потока газообразного топлива, чтобы добиваться очень точного регулирования массового расхода топлива (иногда называемого массового расхода газа, или "MFG"), вместе с другим дросселем далее ниже по потоку для регулирования подаваемого потока, после того как воздух смешался с подаваемым потоком топлива (который иногда называется массовым расходом воздуха, или "MFA", независимо от включения топлива в тот же поток). Тем не менее, полное и очень точное регулирование массового расхода может также быть достигнуто посредством объединения MFG-дросселя вместе с MFA-дросселем, который подсоединяется к источнику воздуха выше по потоку от устройства смешивания топлива и воздуха. Кроме того, в целом, точное общее регулирование может также быть достижимым посредством регулирования только массового расхода топлива, без активного регулирования массового расхода воздуха, если другие достоверные данные используются для вычисления этого массового расхода воздуха, например, посредством использования кислородных датчиков в сочетании с давлением, температурой и т.п. При любом выборе для конкретного применения мы надеемся, что специалисты в области техники поймут, где и как включать такие дроссели для различных целей, чтобы добиваться различных сочетаний для общего регулирования массового расхода.

[00039] Относительно какого-либо клапана, дросселя или актуатора, "быстродействующий" является термином, который, в целом, является понятным специалистам в области техники, и термин должен, как предполагается, в целом, означать, что он предназначается, чтобы действовать или реагировать значительно быстрее или скорее по сравнению с большинством дросселей, клапанов или актуаторов. Более ограниченное определение может быть применено к фразе до степени, явно отрицаемой во время отстаивания исковых требований, или до степени, необходимой для сохранения действительности отдельных пунктов формулы изобретения в свете предшествующего уровня техники. Несмотря на предполагаемое более широкое значение, быстродействующие актуаторы, упоминаемые в этих описаниях, предпочтительно функционируют, чтобы перемещать задействуемый элемент дросселя через большую часть его полного рабочего диапазона перемещения (предпочтительно от 20% до 80% этого рабочего диапазона), если не весь этот рабочий диапазон, за пятьдесят миллисекунд или менее, хотя многие другие типы актуаторов все еще вероятно должны подходить в качестве альтернатив, особенно до такой степени, когда отдельные элементы формулы изобретения явно не отрицаются, чтобы требовать отдельных характеристик быстродействия.

[00040] Термин "дроссель большого двигателя" 10 используется для описания дросселя массового расхода многочисленных предпочтительных вариантов осуществления, и он ссылается на дроссель и систему управления дросселем вместо просто корпуса 20 дросселя или двухстворчатого клапана (или дроссельной заслонки) 210 в данном документе. Несмотря на описатель "большой двигатель" для дросселя 10, читатель должен понимать, что различные аспекты такого дросселя большого двигателя могут быть полезны также для меньших двигателей, так что ссылка на "большой двигатель" не должна рассматриваться как ограничивающая, пока лишение права возражения, действительность с учетом предшествующего уровня техники, или другие правовые принципы явно не требуют интерпретации, которая ограничивается большими двигателями. Более простой термин "дроссель" 20 используется в данном документе взаимозаменяемо с термином "узел корпуса дросселя" 20. В отношении различных видов топлива, термин "текучая среда" используется в данном документе, чтобы означать либо жидкость, либо газ, хотя варианты осуществления с жидким топливом предпочтительно приспосабливаются для испарения жидкой фазы топлива, прежде чем поток достигает дросселя 10 большого двигателя. В контексте регулирования подаваемого расхода, "непрерывный проточный канал" ссылается на проточный канал любого вида, определяется ли он посредством трубок, каналов, камер, перегородок, коллекторов или любого другого проточного канала, который не прерывается полностью закрытыми клапанами, поршнями, насосами вытесняющего действия или т.п. во время обычного рабочего режима регулирования расхода топлива, так что газообразная текучая среда, в целом, имеет возможность непрерывно протекать через непрерывный проточный канал во всех случаях, когда перепад давления присутствует, чтобы вызывать такое протекание. Следует понимать, тем не менее, что непрерывный проточный канал в этом контексте может быть отрегулирован до нулевого расхода посредством уменьшения эффективной площади отверстия до нуля, в то время как канал будет все еще считаться непрерывным проточным каналом в этом контексте. Кроме того, в отсутствие явного отказа от формулы изобретения в ином случае, эквивалентные структуры могут быть полностью закрыты, когда не работают, чтобы регулировать расход, и эквивалентные структуры могут также иметь параллельные или альтернативные каналы, когда один или более из них могут прерываться без прерывания общего потока.

Покомпонентный и непокомпонентный виды дросселя 10 большого двигателя

[00041] Обращаясь к фиг. 1A и 1B, показаны виды в перспективе предпочтительного дросселя 10 большого двигателя. Как показано на них, дроссель 10 большого двигателя включает в себя впускной адаптер 30 и выпускной адаптер 40. Впускной адаптер 30, частично, определяет впускное отверстие 390 для подачи, которое конфигурируется, чтобы предоставлять возможность подачи потока в дроссель 10 большого двигателя. Адаптер 40 выпускного отверстия, частично, определяет выпускное отверстие 170 для подачи (показанное на фиг. 2B и 10), которое конфигурируется, чтобы предоставлять возможность выпуска подаваемого потока из дросселя 10 большого двигателя. Винты 31-34 спариваются с чистыми гайками 31a-34a для прикрепления впускного адаптера 30 к узлу 20 корпуса (показано более подробно на фиг. 2A-4). Аналогично, винты 41-44 спариваются с чистыми гайками 41a-44a для прикрепления выпускного адаптера 40 к узлу 20 корпуса. Подробные описания узлов и компонентов предпочтительного варианта осуществления предоставляются в следующих параграфах.

[00042] Со ссылкой на фиг. 2A, показан двухмерный вид дросселя 10 большого двигателя. Отверстие 220 для охлаждающей жидкости может быть видно впереди узла 20 корпуса (показан рамкой из штриховой линии), и другое отверстие 221 для охлаждающей жидкости (не показано) располагается на противоположной стороне. В частности, когда дроссель 10 используется в качестве воздушно-топливного (MFA) дросселя, горячие газы могут протекать через дроссель 10. Чтобы выдерживать температуру таких горячих газов, и, в частности, предотвращать термическое повреждение управляющих схем, ассоциированных с PCB 900 или с электродвигателем 700, радиатор (не пронумерован) располагается в едином блочном узле 99 между основной частью 20 дросселя и электродвигателем 700, также как и PCB 900. Радиатор предпочтительно существует в форме алюминиевого компонента, окружающего один или более проточных каналов с относительно большими площадями поверхности для предоставления возможности жидкому хладагенту циркулировать по ним и, тем самым, охлаждать алюминиевый компонент. Как будет понятно специалистам в области техники, радиаторы обычно используются на устройствах с турбонаддувом типа дросселя 10 большого двигателя. Отверстия 220 и 221 для охлаждающей жидкости позволяют охлаждающей жидкости поступать и протекать вокруг дросселя 10 большого двигателя, чтобы уберегать бесщеточный электродвигатель 700 (показан на фиг. 7) и главную PCB 900 (показана на фиг. 9) от перегрева.

[00043] Со ссылкой на фиг. 2B, показано поперечное сечение, указанное линией B-B, варианта осуществления, иллюстрированного на фиг. 2A, повернутого по часовой стрелке на 90 градусов. Вал 710 дросселя (иногда называемый "приводным валом" актуатора) регулирует перемещение дроссельной заслонки 210, с минимальной возможностью люфта или других погрешностей. Верхнее по потоку давление P₁ (выше по потоку от дроссельной заслонки 210) измеряется в отверстии 230 посредством датчика 951 давления на PCB 900, когда кондуктор датчика 951 соединяется в открытом сообщении по текучей среде с отверстием 230, через открытый канал (не показан), который проходит через единый блочный узел и трубу между отверстием 230 и кондуктором датчика 951. Аналогично, нижнее по потоку давление P₂ (ниже по потоку от дроссельной заслонки 210) измеряется в отверстии 240 посредством датчика 952 давления на PCB 900, когда кондуктор датчика 952 соединяется в открытом сообщении по текучей среде с отверстием 240, через открытый канал (не показан), который проходит через единый блочный узел и трубу между отверстием 240 и кондуктором датчика 952.

[00044] Каждое из отверстий 230 и 240 имеет участки проточного канала в непосредственной близости к отверстиям, которые ориентируются перпендикулярно линии потока проточного канала дросселя для дросселя 10, чтобы минимизировать давления торможения или всасывания вследствие своей ориентации относительно потока. Однако следующие соседние участки для каждого ориентируются с легким наклоном вверх относительно силы тяжести для того, чтобы минимизировать риск засорения. Температура текучей среды измеряется в отверстии 250 с помощью термистора 600 (показан на фиг. 6). Винты 201-204 соединяют узел 20 корпуса дросселя с узлом 80 промежуточного корпуса.

[00045] Со ссылкой на фиг. 3, рамки из штриховых линий используются для изображения некоторых из различных узлов и в варианте осуществления единого блочного узла 99 дросселя 10. Узлы, которые жестко объединяются, чтобы формировать единый блочный узел 99, включают в себя стенки 22 центрального корпуса 20 дросселя, крышку 550 пружинного возврата узла 50 пружинного возврата на конце в правом направлении на фиг. 3, крышку 901 управляющей схемы на другом конце в левом направлении на фиг. 3, с промежуточным корпусом 800 кожуха 80 электродвигателя, расположенным между корпусом 20 дросселя и PCB-пространством. Кроме того, как будет понятно, многочисленные винты используются для жесткого соединения подблоков варианта осуществления на фиг. 3 вместе, предпочтительно с уплотнительными прокладками, чтобы обеспечивать герметичное соединение между каждым из различных подблоков. Два дополнительных подблока - а именно, расширение впускного отверстия и расширение выпускного отверстия для потока также объединяются в единый блочный узел 99 на фиг. 3. Аналогично, единый блочный узел 99' варианта осуществления, показанного на фиг. 3A, также является очень похожим на узел 99 на фиг. 3.

[00046] Более конкретно, единый блочный узел состоит из различных подблоков и крышек, которые предпочтительно все выполнены, главным образом, из алюминиевого сплава в предпочтительном варианте осуществления. Результирующий единый блочный узел дросселя 10 определяет внутренние и внешние поверхности дросселя 10. Этот единый блочный узел иллюстрируется как узел брускового типа из алюминиевых деталей, видимых в различных видах на фиг. 1-4, хотя следует понимать, что предпочтительные варианты осуществления могут также быть сформированы посредством более крупных отлитых изделий, имеющих меньше подблоков для того, чтобы снижать затраты для массового производства. Эти узлы иллюстрируются более подробно на чертежах, которые следуют. На фиг. 3 показан впускной адаптер 30 над узлом 20 корпуса дросселя (более конкретно показан на фиг. 4). Четыре винта 31-34 (три показано) соединяют впускной адаптер 30 с узлом 20 корпуса дросселя с круглым уплотнением 35, чтобы герметично предоставлять возможность массового расхода со стороны выше по потоку в узел 20 корпуса дросселя. Аналогично, выпускной адаптер 40 соединяется с узлом 20 корпуса дросселя с помощью винтов 41-44 с круглым уплотнением 45, чтобы герметично предоставлять возможность массового расхода вниз по потоку из узла 20 корпуса дросселя. Несмотря на второстепенную важность, можно отметить, что впускной адаптер 30 и выпускной адаптер 40 являются более полезными, когда дроссель 10 используется в качестве MFG-дросселя, в противоположность тому, когда он используется в качестве MFA-дросселя.

[00047] Хотя каждое из множества пространств, определяемых единым блочным узлом, и которые совокупно содержат вращающийся вал 710 - а именно, PCB-пространство, пространство для электродвигателя промежуточного корпуса 800, пространство для корпуса дросселя и пространство для узла пружинного возврата узла 50 - формируются посредством герметичного соединения соседних подблоков, утечка может все еще возникать из одного такого пространства в следующее вследствие несовершенных уплотнений вокруг вращающегося вала 710. Соответственно, чтобы защищать управляющую схему PCB 900 от коррозионных действий подаваемого газообразного топлива, электронные компоненты PCB 900 покрываются покрытием, которое является защитным для таких электронных компонентов от иных коррозионных характеристик газообразных видов топлива.

[00048] Справа от корпуса 20 дросселя находится пружинный узел 50 (показан подробно на фиг. 5). Пружинный узел 50 работает как пружина торсионного типа, которая скручивается, пока блочный узел 10 является включенным. Когда блочный узел 10 выключается, пружинный узел 50 ослабляется и возвращается в закрытое положение или, более предпочтительно, практически в закрытое положение. Слева от узла 20 дросселя находится узел 60 термистора (показан подробно на фиг. 6), который определяет температуру. Также, слева от узла 20 корпуса дросселя находится электродвигатель и узел 70 вала дросселя (показан подробно на фиг. 7), который регулирует перемещение дросселя (показано на фиг. 4). Узел 80 промежуточного корпуса (показан подробно на фиг. 8) объединяет электродвигатель и узел 70 вала дросселя и узел 90 платы печатного монтажа (PCB) (показано подробно на фиг. 9).

[00049] В качестве альтернативы вариантам осуществления на фиг. 3 и 5, фиг. 3A и 5A показывают сравнимый, но альтернативный вариант осуществления. Однако, вследствие близких сходств дросселя 10' в сравнении с дросселем 10, детали на каждой из фиг. 3A и 5A нумеруются аналогично сравнимым деталям на фиг. 3 и 5, при этом главным различием является добавление символа апострофа (" ' ") для компонентов варианта осуществления на фиг. 3A и 5A. В частности, со ссылкой на фиг. 3A, почти все подузлы дросселя 10' являются практически аналогичными подузлам дросселя 10 на фиг. 3, при этом наиболее заметным исключением является узел 500' пружинного возврата, который имеет компоненты, аналогичные, но отличающиеся от компонентов узла 500 пружинного возврата.

[00050] Тем не менее, детали на фиг. 5A отличаются достаточно от таких аналогичных деталей на фиг. 5, что некоторое описание может быть полезным. В частности, компонент 510' на фиг. 5A является уплотнением вала. В этом варианте осуществления упоры 511' и 512' уплотнения соединяются в качестве одного компонента. Деталь 501' является изолирующим разделителем, который поддерживает пружину 500', и винт 531' привинчивает узел 50' к концу вала 710 дросселя. D-образный вырез в винте 531' имеет тенденцию ориентировать пружинный узел в желаемой ориентации на валу 710. Подшипниковый узел 513' является традиционным подшипниковым узлом, очень похожим на подшипниковый узел 513, а элемент 520' является паразитной пружиной подшипника. Деталь 530' является пружинным возвратом для возврата дроссельной заслонки 210 на пять градусов от полностью закрытого положения. Каждый конец пружины 500' имеет выступающий раструб, который зацепляет сопрягаемые пазы и т.п., чтобы приводить в действие подпружиненный возврат дроссельной заслонки 210, способом, который, в целом, является обычным для подпружиненных возвратов для автомобильных дросселей.

Узел 20 корпуса дросселя

[00051] Со ссылкой на фиг. 4 показан изометрический вид узла 20 корпуса дросселя (также называемого "дросселем подаваемого газа"). Как ранее обсуждалось, узел 20 корпуса дросселя может быть использован для регулирования расходов топлива, расходов воздуха или расходов воздушно-топливной смеси. Объем пространства цилиндрической формы от верха до низа узла 20 корпуса дросселя определяется в данном документе как камера 205 дросселя. Для топливных дросселей дроссельное отверстие 200 предпочтительно имеет диаметр между 50 миллиметрами и 76 миллиметрами. Для воздушно-топливных дросселей дроссельное отверстие 200 предпочтительно имеет диаметр между 60 миллиметрами и 120 миллиметрами. Отметим, что, хотя дроссельное отверстие 200 является круглым отверстием в предпочтительном варианте осуществления, другие формы могут быть использованы в альтернативных вариантах осуществления, такие как квадратное отверстие.

Пружинный узел 50

[00052] Со ссылкой на фиг. 5 показан покомпонентный вид пружинного узла 50. На левой стороне фиг. 5 находится уплотнение 510 вала дросселя (с вставкой), которое уплотняет вал 710 дросселя (показан на фиг. 7). Уплотнительный разделитель 511 дросселя отделяет уплотнение 510 вала дросселя от шайбы 512 упора уплотнения. Роликовый подшипник 513 располагается между шайбой 512 упора уплотнителя и волнистой пружиной 520. Подшипник 501 для направления пружины предохраняет торсионную пружину 500 от соприкосновения или трения об корпус дросселя 10. Более крупный подшипник 502 для направления пружины отделяет торсионную пружину 500 от пружинного возвратного фланца 530. Винтообразный перпендикулярный шип 531, расположенный в центре фланца 530 узла 50 пружины, служит для передачи нейтрально смещающего усилия пружины 500 валу 710 и, в свою очередь, дроссельной заслонке 210. Винты 551-554 прикрепляют крышку 550 пружинного возврата к узлу 20 корпуса дросселя, и уплотнительное кольцо 540 герметично объединяет узлы. Со ссылкой на альтернативный вариант осуществления на фиг. 5A показан другой покомпонентный вид пружинного узла 50', который конструируется сравнимо и функционирует способом, в целом, сравнимым с пружинным узлом 50.

Узел 60 термистора

[00053] Со ссылкой на фиг. 6 показан покомпонентный вид узла 60 термистора. В одном варианте осуществления термистор 600 имеет диапазон измерения температуры от 70°C до 205°C. Узел 60 термистора имеет две кольцеобразные прокладки 603 и 604, которые функционируют в качестве уплотнителей. Проволочные выводы 611 и 612 припаиваются к PCB 610 термистора, протягиваются (не показано) через узел 80 промежуточного корпуса и также припаиваются к главной PCB 900. Эпоксидное многокомпонентное литье 620 используется для защиты термистора 600 и PCB 610 термистора. Трубка 630 термистора окружает эпоксидное многокомпонентное литье 620, термистор 600 и PCB 610 термистора. Трубка 630 термистора объединяется с узлом 20 корпуса дросселя с помощью винта 640.

Узел 70 электродвигателя и вала дросселя

[00054] Со ссылкой на фиг. 7 показан узел 70 электродвигателя и вала дросселя. Бесщеточный электродвигатель 700 управляет перемещением вала 710 дросселя. На правой стороне на фиг. 7 находится уплотнение 711 вала дросселя (с вставкой). Уплотнительный разделитель 712 дросселя отделяет уплотнение 711 вала дросселя от вала 710 дросселя. Четыре винта 701-704 (три показано) соединяют бесщеточный электродвигатель 700 и вал 710 дросселя с узлом 20 корпуса дросселя. Вал 710 дросселя продолжается полностью через бесщеточный электродвигатель 700 и соединяется с лопастью 720 ротора. Предусмотрены два вращающихся подшипниковых узла 705 и 706 в электродвигателе 700, так что, вместе с вращающимся подшипниковым узлом 513 (или 513' в варианте осуществления на фиг. 3A), три подшипниковых узла поддерживают вращательное движение вала 710. Винт 730 целиком прикрепляет лопасть 720 ротора к концу вала 710 дросселя, который выступает в PCB-пространство с левой стороны (как видно на фиг. 7) бесщеточного электродвигателя 700. Лопасть 720 ротора имеет постоянный магнит 740, постоянно соединенный с радиально внешней частью лопасти 720 ротора, так что лопасть 720 может быть использована вместе с магнитом 740, чтобы опосредованно измерять положение дроссельной заслонки 210 в диапазоне своего вращательного движения.

Узел 80 промежуточного корпуса

[00055] Со ссылкой на фиг. 8 показан узел 80 промежуточного корпуса. Большое открытое пространство 810 используется для размещения бесщеточного электродвигателя 700. Меньшее круглое отверстие 820 внизу слева используется для размещения штырькового разъема локальной сети контроллеров (CAN), который выступает из главной PCB 900. Одно небольшое отверстие 830 сверху узла 80 размещает обратный клапан 840 обратного потока, чтобы защищать датчики от слишком высокого давления. Другое меньшее отверстие 850 размещает обратный клапан 860 прямого потока, чтобы защищать датчики от слишком высокого давления. Внутриканавочное уплотнение 870, имеющее форму, чтобы вставляться в узел 80 промежуточного корпуса, герметично соединяет узел 80 с узлом 20 корпуса клапана.

Узел 90 платы печатного монтажа (PCB)

[00056] Со ссылкой на фиг. 9 показан PCB-узел 90, который герметично содержит PCB 900. PCB 900 окружается в пространстве ("PCB-пространстве"), определенном между крышкой 901 корпуса PCB и промежуточным корпусом 800, которые соединяются винтами 915-920 герметичным образом. Герметичное соединение между крышкой 901 и промежуточным корпусом 800 частично позволяется посредством внутриканавочного упругого уплотнения 902, расположенного по периметру вокруг PCB-пространства в интерфейсе между промежуточным корпусом 800 и крышкой 901 корпуса PCB. Двенадцать винтов 903-914 надежно прикрепляют PCB 900 и датчики 950-952 давления к корпусу 901 PCB. Шесть винтов 915-920 (три показано) и уплотнение 902 корпуса PCB герметично соединяют PCB-узел 90 с узлом 80 промежуточного корпуса (показан на фиг. 8). Такое герметичное объединение предоставляет возможность оптимального регулирования и помогает минимизировать внешние искажения или другие воздействия, которые могут в ином случае влиять на его работу.

[00057] PCB 900 содержит микроконтроллер 930, который может быть любым коммерчески доступным микроконтроллером с памятью, которая выполнена с возможностью приема машиночитаемого кода, т.е. программного обеспечения. Микроконтроллер 930 представляет собой "мозги" дросселя 10 большого двигателя. Микроконтроллер 930 принимает сигналы положения дросселя от датчиков 940a-e на эффекте Холла, сигналы давления от датчиков 950-952 давления, сигналы температуры от термистора 600 и сигналы управления от ECM 100. Микроконтроллер 930 использует алгоритм для вычисления положения дросселя для того, чтобы добиваться требуемых для текущего момента массовых расходов, и затем выводит модулированные по ширине импульса сигналы и сигналы мостовой схемы управления электродвигателю 80, чтобы инструктировать электродвигатель 700 правильно регулировать положение дроссельной заслонки 210, в то же время также выводя измеренные данные в ECM.

[00058] PCB 900 имеет пять пар идентичных датчиков 940a-e на эффекте Холла, которые являются частью узла датчиков положения для опосредованного определения положения дроссельных заслонок 210. С перекрестной ссылкой на фиг. 10, эти датчики совокупно называются "датчиком положения заслонки" 940. Когда вал 710 дросселя вращается, лопасть 720 ротора, которая является неотъемлемой частью вала 710, вращается в PCB-пространстве, и это вынуждает магнит 740 перемещаться относительно датчиков 940a-e на эффекте Холла, которые выполнены с возможностью определения результирующих изменений в магнитном поле. Эти датчики 940a-e изменяют свое выходное напряжение в ответ на изменения магнитного поля, и эти электрические сигналы обрабатываются микроконтроллером 930. Датчики 940a-e используются для калибровки местоположения дроссельной заслонки 210 относительно силы магнитного поля, задаваемой магнитом 740.

[00059] Датчик 950 перепада давлений является двухсторонним измерительным преобразователем давления, который измеряет дифференциальное давление ("ΔP") между верхним по потоку отверстием 230 для отбора давления и нижним по потоку отверстием 240 для отбора давления. Две прокладки 950a и 950b датчика давления герметизируют датчик 950 перепада давления. Датчик 951 верхнего по потоку давления измеряет абсолютное верхнее по потоку давление ("P₁") и имеет прокладку 951a датчика давления. Датчик 952 нижнего по потоку давления измеряет абсолютное нижнее по потоку давление ("P₂") и имеет прокладку 952a датчика давления. Датчик 950 перепада давления является значительно более точным в измерении дифференциального давления по сравнению со способом математического вычитания разности между P₁ и P₂. Однако существуют условия, когда дроссель работает при давлениях вне диапазона датчика 950 перепада давления. Когда датчик 950 перепада давления начинает фиксировать границу (т.е. достигает своих максимальных достоверных пределов), микроконтроллер 930 будет начинать использование датчиков 951 и 952 давления, чтобы вычислять дифференциальное давление. После того как диапазон максимального давления превышается, микроконтроллер 930 будет останавливать использование датчика 950 перепада давления и переключаться полностью на датчики 951 и 952 давления в дополнение, PCB 900 будет диагностировать другие случаи всякий раз, когда P₁, P₂ и/или ΔP не соответствуют проверкам рациональности, в таких случаях ложный сигнал отправляется в ECM 100.

[00060] Датчики 951 и 952 давления являются традиционными измерительными преобразователями давления, хотя нетрадиционные измерительные преобразователи (или даже датчики или т.п. для условий текучей среды, отличных от давления) могут быть рассмотрены для использования в качестве альтернатив для некоторых из тех же целей. Измерительные преобразователи 951 и 952 давления предпочтительно имеют тип, который может быть и устанавливается на PCB 900, и имеет негибкие трубчатые соединители (иногда называемые "кондукторами"), продолжающиеся от своих оснований, через которые измерительные преобразователи имеют доступ к давлению, которое должно быть измерено.

[00061] Чтобы нейтрализовать некоторые из действий колебаний давления - в частности, колебаний нижнего по потоку давления - управляющие алгоритмы микроконтроллера 930 предпочтительно используют усредненные по времени показатели давления от датчиков 950-952 давления вместо мгновенных показателей давления. Более конкретно, на основе числа цилиндров и текущего числа оборотов в минуту двигателя, которые принимаются микроконтроллером 930 от ECM 100, микроконтроллер 930 непрерывно определяет время циклов хода поршней двигателя 102.

Фиг. 10 - Блок-схема

[00062] В иллюстративной блок-схеме на фиг. 10 представлены четыре основных участка подаваемого потока, изображенного для предпочтительных вариантов осуществления: (1) верхний по потоку источник 350 газообразного топлива, изображенный слева; (2) клапан 10 большого двигателя, изображенный в рамке из штриховой линии в середине; и (3) двигатель 102, изображенный в меньшей рамке из штриховой линии дальше справа. Три участка 350, 10 и 102 функционально соединяются, чтобы предоставлять мощность вращения вала для любого числа применений большого двигателя, при этом источник 350 топлива служит в качестве основного источника газообразного топлива для двигателя 102, и при этом дроссель 10 большого двигателя служит для обеспечения точного регулирования расхода газообразного топлива из этого источника 350 топлива к двигателю 102, в соответствии с различными учениями настоящего изобретения.

Верхний по потоку источник 350 топлива

[00063] Как иллюстрировано на фиг. 10, источник 350 топлива предпочтительно включает в себя топливный бак 360, служащий в качестве источника для текучего топлива, вместе с механическим регулятором 370 давления и другими традиционными компонентами, такими как отсекающий запорный клапан 380. Клапан 380 предпочтительно управляется посредством ECM 100, хотя независимое управление может быть использовано в альтернативных вариантах осуществления. Источник 350 газообразного топлива оборудуется и приспосабливается для предоставления подаваемого газообразного топлива во впускное отверстие 390 подачи с требуемыми уровнями давления.

[00064] Более предпочтительно, источник 350 газообразного топлива является природным газом или источником парообразного пропанового топлива, который доставляет природный газ или пропан, хранящийся в топливном баке 360. Хотя не показано на фиг. 10, топливный бак 360 может быть оборудован подузлами испарения и выполняет управление, чтобы организовывать испарение LNG (сжиженного природного газа) или пропана и результирующее давление в топливном баке 360 и ассоциированных линиях 365, 375 и 376. Такие подузлы испарения и органы управления для LNG предпочтительно заправляют бак 360 посредством предварительной циркуляции некоторой части хранящегося LNG через теплообменный контур, что повышает температуру предварительно циркулировавшего LNG до точки частичного или полного испарения, тем самым, создавая паровую фазу с достаточным напором давления в баке 360. Линия 365 предпочтительно также включает в себя второй теплообменник ниже по потоку от топливного бака 360, чтобы дополнительно помогать в завершении испарения LNG или пропана, после того как газообразному топливу предоставляется возможность протекать от источника 350 топлива к дросселю 10 большого двигателя.

[00065] Ниже по потоку от теплообменника в линии 365 газообразное топливо направляется последовательно через механический регулятор 370 давления, нижний по потоку топливный отсечный клапан 380 и узел быстрого отсоединения линии (не показан) перед поступлением в дроссель 10 большого двигателя. В этом варианте осуществления первоначальное давление топлива обеспечивается баком 360, хотя первоначальное давление из бака 360 предпочтительно регулируется посредством механического регулятора 370 давления прежде достижения впускного отверстия 390 подачи дросселя 10 большого двигателя. Механический регулятор 370 давления выполнен с возможностью организации низких давлений из бака 360 и включает в себя один или более традиционных регуляторов давления, которые используют диафрагмы сбалансированного давления, чтобы изменять эффективные размеры дроссельного отверстия и тем самым регулировать давление в предпочтительном диапазоне во впускном отверстии 390 подачи. Механический регулятор 370 давления предпочтительно включает в себя интегрированный датчик давления для предоставления данных о верхнем по потоку давлении (т.е. эквивалент давлению "P₁" во впускном отверстии 390 подачи) в ECM 100 по управляющей линии 371 связи. Является или нет датчик давления объединенным с регулятором 370, предпочтительный вариант осуществления включает в себя измерительный преобразователь 951 давления, который измеряет давление в отверстии 230, которое находится выше по потоку от дроссельной заслонки 210, и которое находится в жидкостной близости к впускному отверстию 390 подачи, так что оно является таким же, что и P₁, для надежных входных данных о фактическом давлении подаваемого газа, поступающего в дроссель 10.

[00066] Предположим, что все линии 365, 375 и 376 являются функционально изолированными и соединяются, чтобы направлять подаваемый поток через них, подаваемый поток от источника 350 топлива к дросселю 10 большого двигателя разрешается или запрещается посредством действия включения/выключения механического отсечного клапана 380. Хотя ручные клапаны могут быть использованы в некоторых альтернативных вариантах осуществления, клапан 380 предпочтительно является электродвигателем или соленоидом, приводимым в действие через контролирующее управление посредством ECM 100, как иллюстрировано посредством управляющей линии 381 связи пунктирной линией на фиг. 10. Когда отсечный клапан 380 является открытым, поток подаваемого газа индуцируется посредством рабочего перепада давления между баком 360 и впускным отверстием 390 подачи. Следовательно, с открытым клапаном 380, топливо сначала проходит через теплообменник и механический регулятор(ы) 370 давления, и топливо затем направляется через клапан 380 и во впускное отверстие 390 для топлива.

[00067] Несмотря на подузлы испарения и органы управления, существует потенциал для прохождения испарившегося природного газа или пропанового топлива, которое также содержит капли жидкой фазы LNG или пропана, что может происходить, например, если отверстия или трубопроводы для теплообменных текучих сред стали засорившимися. Если какие-либо капли LNG или пропана остаются в топливном потоке ниже по потоку от механического регулятора(ов) 370 давления, их последующее испарение может привносить резкие всплески давления в дроссель 10 большого двигателя, которые будут перегружать дроссель 10 большого двигателя. Для того, чтобы компенсировать возможное привнесение капель LNG или пропана ниже по потоку от теплообменника, контур регулирования давления может быть вставлен в систему в промежуточном положении между регулятором(ами) 370 давления и впускным отверстием 390 подачи в дроссель 10 большого двигателя, предпочтительно ниже по потоку от теплообменника и регулятора(ов) 370 механического давления.

[00068] В случае, когда какие-либо блуждающие капли LNG или пропана поступают в дроссель 10 большого двигателя, запаздывающее испарение вероятно приведет к всплеску повышенного давления во впускном отверстии 390 подачи дросселя 10 большого двигателя. Если такой всплеск давления создается, вставленный контур регулирования давления предпочтительно буферизует всплеск посредством обратной вентиляции в сторону выше по потоку от механического регулятора 370 давления. В качестве других альтернатив, одно или более вентиляционных отверстий для избыточного давления или перепускных обратных клапанов могут быть включены в линию 375 и/или 376, чтобы помогать отводить всплески испарения, которые в ином случае будут распространяться и нарушать регулировку дросселя 10 большого двигателя. Аналогично, всплески давления вследствие испарения топлива выше по потоку от механического регулятора давления могут также быть выпущены в атмосферу и/или отведены в другую оболочку выше по потоку в источнике 350 топлива.

[00069] Предоставляя разностороннюю стратегию для управления такими блуждающими всплесками давления, а именно, посредством включения теплообменника в линию 365, также как одного или более вентиляционных отверстий, обратных клапанов или т.п., как обсуждалось выше, предпочтительные варианты осуществления регулируют и модулируют давление, привносимое во впускное отверстие 390 подачи, чтобы уменьшать или предотвращать перегрузку регулирования расхода для дросселя 10 большого двигателя.

[00070] Топливный бак 360 может альтернативно быть осуществлен как любой из множества обычно доступных источников газообразного топлива, таких как стационарные газопроводы, баллоны со сжатым газом или другие типы баков для сжиженного хранения с органами управления испарением, вместе с традиционными регуляторами давления и т.п. Предпочтительно, большинство таких альтернатив все еще включают в себя некоторую форму бака 360 для хранения топлива, который подает топливо к дросселю 10 большого двигателя через находящийся под высоким давлением механический регулятор 370 давления, который регулирует давление до требуемого диапазона для впускного отверстия 390 для подачи.

[00071] Опять, из находящегося под высоким давлением механического регулятора 370 давления топливо подается по топливной трубе или подводящей линии 375, которая предпочтительно включает в себя отсечный запорный клапан 380, как показано. Ниже по потоку от отсечного запорного клапана 380 линия 376 подачи топлива соединяется с дросселем 10 большого двигателя во впускном отверстии 390 подачи, в этой точке топливо предпочтительно вводится в дроссель 20 подаваемого газа дросселя 10 большого двигателя.

[00072] Как будет понятно специалистам в области техники, линия 375 подачи может также включать в себя топливный фильтр (не показан) или другие традиционные системы для наблюдения и/или оптимизации условий подачи топлива перед введением в дроссель 10 большого двигателя. Такие другие системы могут включать в себя, например, датчики качества топлива, присоединенные к модулю управления двигателем (ECM) 100 и/или PCB 900 дросселя 10 большого двигателя для прогнозирования рабочих потребностей. Источник 350 топлива может также включать в себя сочетание нескольких независимых регуляторов 370 давления (вместо всего лишь одного) или может включать в себя дополнительные регуляторы давления, которые являются неотъемлемой частью бака 360 для хранения топлива.

[00073] Обращаясь опять к предпочтительному варианту осуществления, который иллюстрирован на фиг. 10, дроссель 10 большого двигателя включает в себя источник 350 топлива. Ниже по потоку от этого дросселя 10 большого двигателя подаваемый поток топлива затем смешивается с воздухом 160 для подачи газообразной воздушно-топливной смеси 150 в двигатель 102 внутреннего сгорания. В то время как компоновка на фиг. 10 является предпочтительной, альтернативные варианты осуществления наряду с некоторыми более широкими учениями настоящего изобретения могут альтернативно вводить некоторую часть или весь требуемый воздух в топливо выше по потоку от дросселя 10 большого двигателя (как подсказывается посредством стрелки 260' альтернативного потока подмешивания воздуха), хоть и с соответствующими проблемами и возможными компромиссами при условии, что соответствующие регулировки может быть необходимо учитывать для привнесения потока воздуха, в какой бы то ни было точке, где он привносится.

Дроссель 20 подаваемого газа

[00074] Связанный с ECM 100 двигателя 102 по линии связи, иллюстрированной пунктирной линией 101, дроссель 20 подаваемого газа выполнен с возможностью обеспечения быстрого и очень точного регулирования расхода фактической ṁ-подачи в своем выпускном отверстии 170 в ответ на сигнал 105 ṁ-расхода, для регулируемой доставки подаваемого топлива в устройство 161 смешивания топлива с воздухом и впоследствии двигатель 102. По своей природе дроссель 20 подаваемого газа используется для регулирования потока подаваемого газа от первичного источника 350 топлива (слева на фиг. 10) к двигателю 102 внутреннего сгорания (справа на фиг. 10). Соответственно, дроссель 20 подаваемого газа функционально размещается ниже по потоку от источника 350 топлива и выше по потоку от устройства 161 смешивания топлива и воздуха и двигателя 102, так что он подсоединяется и герметизируется, чтобы быть частью жидкостно непрерывной системы подачи топлива во время работы двигателя 102, при этом дроссель 20 подаваемого газа является промежуточным звеном между источником 350 топлива и двигателем 102. Подробное описание дросселя 10 большого двигателя со ссылками на дополнительные чертежи выполняется в следующих параграфах.

[00075] Для дальнейшей оптимизации блочный микроконтроллер 930 и связанная схема управления предпочтительно осуществляются на единой плате 900 печатного монтажа (также видна на фиг. 9). Блочный микроконтроллер 930 PCB 900 соединяется по линии 101 передачи данных, чтобы принимать ṁ-информационный сигнал 105 (и все другие доступные данные, включающие в себя P₃-информационный сигнал 121, если необходимо, как обсуждается где-либо еще в данном документе) от ECM 100. Линия 101 передачи данных соединяется с ECM 100 и его сетью управления, которая является CAN-сетью в предпочтительном варианте осуществления. С помощью принятых информационных сигналов 105, 120 плата 900 печатного монтажа управляет дросселем 10 большого двигателя, предпочтительно без какой-либо внешней связи, отличной от силового и информационного соединения 101 с ECM 100 двигателя. Хотя "CAN" технически является сокращением для локальной сети контроллеров, упоминание "CAN" является обычно используемым техническим словом, которое ссылается на CAN-сеть или на данные, принимаемые по CAN-сети. В таком случае, следует понимать, что хотя CAN-сеть является предпочтительной линией связи для передачи всех команд, переменных и других данных, принимаемых по линии 101 микроконтроллером 930 из-за пределов системы 10 дросселя, беспроводные, аналоговые сигналы, цифровые сигналы или другие средства связи могут использоваться в качестве альтернатив, в то же время все еще охватывая многие аспекты настоящего изобретения.

[00076] Также на PCB 900 располагается разъем 960 CAN-сети (виден на фиг. 2B). Как будет понятно специалистам в области техники, разъем 960 CAN-сети является пятиконтактным разъемом. Пять контактов содержат контакт питания, контакт заземления, плюсовой CAN-контакт, минусовой CAN-контакт и контакт окончания CAN. Как будет понятно специалистам в области техники, альтернативные варианты осуществления могут управлять (0-5 В или 5-20 мА) информационными соединениями или любой другой известной альтернативой для информационных соединений, которые в ином случае являются подходящими для такого применения как дроссель 10 большого двигателя. Альтернативные варианты осуществления могут иметь восьмиконтактные разъемы вместо пяти контактов для CAN-сети.

[00077] В предпочтительном варианте осуществления обратная связь по оптимальному состоянию текучей среды получается от двухстороннего измерительного преобразователя ("датчика перепада давления") 950 посредством помещения концов его кондукторов (или трубок из него в качестве альтернативы) в непосредственном жидкостном контакте с камерой 205 дросселя (показана на фиг. 4), в то время как основание измерительного преобразователя 950 устанавливается непосредственно на PCB 900. С перекрестной ссылкой на фиг. 2B, датчик 950 перепада давления измеряет дифференциальное давление ("ΔP") между отверстием 230 для отбора верхнего по потоку давления и отверстием 240 для отбора нижнего по потоку давления. Датчик 951 давления измеряет абсолютное верхнее по потоку давление ("P₁") из отверстия 230. Датчик 952 давления измеряет абсолютное нижнее по потоку давление ("P₂") из отверстия 240. С дальнейшей перекрестной ссылкой на фиг. 2B, концы кондукторов датчиков 951 и 952 давления протягиваются от PCB 900 через соответствующим образом расположенные отверстия 230 и 240 датчика в боковой стенке камеры 205 дросселя. Чтобы минимизировать засорение или другое загрязнение измерительных преобразователей 950-952, отверстия 230 и 240 предпочтительно находятся в боковом отсеке камеры 205 дросселя и защищаются с помощью имеющих уклон вниз каналов или других мер, которые являются известными для использования в качестве средств предохранения от загрязнения.

[00078] С перекрестной ссылкой на фиг. 6, обратная связь по оптимальному состоянию текучей среды получается посредством позиционирования наконечника 601 датчика термистора 600 непосредственно в камере 205 дросселя, в то время как основание 602 термистора 600 припаивается непосредственно к PCB 610 термистора. Термистор 600 является традиционным термистором, который определяет температуру на своем наконечнике 601 и имеет проволочные выводы, продолжающиеся к наконечнику 601 датчика, хотя другие формы температурных датчиков (или даже датчиков или т.п. для состояний текучей среды, отличных от температуры) могут быть рассмотрены для использования в качестве альтернатив для некоторых из тех же целей.

[00079] Во всех отношениях управления блочного микроконтроллера 930 варианты осуществления настоящего изобретения устраняют ощущаемые длительное время нерешенные потребности в области техники посредством инновационных подходов, которые преодолевают многие из ограничений и проблем предшествующего уровня техники. В соответствии с многими учениями настоящего изобретения промышленности предоставляется возможность предоставлять решения, декларируемые в системах управления большим двигателем, которые являются легко адаптируемыми к потребляемой мощности многочисленных установок и являются легко приспособленными для очень аккуратной и точной регулировки подаваемого потока по всем довольно большим динамическим диапазонам мощности в двигателях внутреннего сгорания.

Двигатель 102

[00080] Снова со ссылкой на фиг. 10, двигатель 102 является большим двигателем 102 внутреннего сгорания с искровым зажиганием типа, который использует газообразное топливо в качестве своего первичного источника энергии, наиболее предпочтительно типа, который использует природный газ (NG) или пары пропана (LPG) в качестве своего топлива. Большой двигатель определяется здесь как любой двигатель, который является 30-литровым или более. Двигатель 102 предпочтительно используется в стационарных установках, таких как генераторные агрегаты (далее в данном документе "генераторные установки") на платформах для сжатия природного газа. Альтернативно, двигатель 102 может быть использован в больших мобильных установках, таких как поезда, корабли, самосвалы для горных работ или другие транспортные средства большой грузоподъемности. Как является традиционным, двигатель 102 имеет ECM 100 или эквивалент, который непрерывно наблюдает за рабочими условиями различных деталей двигателя 102 и его периферийными системами. Такой двигатель 102 может быть функционально объединен в любое число силовых установок в альтернативных вариантах осуществления, также как многие другие установки, которые могут быть сейчас или в будущем известными в области техники для снабжения мощностью посредством двигателей внутреннего сгорания на газообразном топливе с искровым зажиганием.

[00081] ECM 100 двигателя 102 соединяется через линии 181-182 передачи данных или другое традиционное средство, чтобы наблюдать за давлениями, температурами и рабочими состояниями в или вокруг многочисленных подсистем двигателя 102, таких как его воздушно-топливная система подачи (которая предпочтительно включает в себя турбонагнетатель 172), воздушно-топливный дроссель 140, его система зажигания, его камеры 180 сгорания, его система охлаждения, его масляное давление и его выхлопная система, среди прочих, которые являются известными в области техники. Хотя альтернативные варианты осуществления могут использовать беспроводные соединения для некоторых или всех информационных соединений между ECM 100 и различными подсистемами двигателя 102, предпочтительные варианты осуществления ECM 100 подключаются, чтобы отправлять и принимать аналоговые или цифровые сигналы по жгутам проводов или другим формам линий 101, 181, 182, 182a, 182b, 371 и 381 связи. Несмотря на то, что представлены на фиг. 10 различными линиями связи пунктирными линиями непосредственно между различными компонентами, линии 101, 181, 182, 182a, 182b, 371 и 381 связи предпочтительно осуществляются в форме традиционной сети передачи данных, такой как локальная сеть контроллеров ("CAN").

[00082] Как будет понятно специалистам в области техники, ECM 100 программируется, чтобы работать, в частности, определять желаемый расход подачи ("ṁ" или "mdot") 105 в любой заданный момент времени на основе текущих рабочих условий двигателя 102 в сравнении с текущими запросами пользователя. Когда желаемый ṁ-расход определяется посредством ECM 100, ECM создает соответствующий ṁ-информационный сигнал 105, который представляет текущий запрос ṁ-расхода для двигателя 102. Когда требуемый ṁ-расход определяется посредством ECM 100, соответствующий ṁ-информационный сигнал 105 передается посредством линии 101 связи микроконтроллеру 930 дросселя 10 большого двигателя, и дроссель 10 большого двигателя функционально служит для мгновенной и точной доставки именно этого из выпускного отверстия 170 дроссельной системы.

[00083] После регулирования потока посредством дросселя 10 большого двигателя отрегулированный поток подаваемого газа из выпускного отверстия 170 дроссельной системы направляется в устройство 161 смешивания топлива и воздуха, где он предпочтительно смешивается с воздухом 160, чтобы создавать горючую воздушно-топливную смесь 150. Предпочтительные варианты осуществления используют поток отфильтрованного воздуха 160. Всасываемый воздух 160, который направляется в устройство 161 смешивания топлива и воздуха, может втягиваться из окружающего воздуха в альтернативных вариантах осуществления, с или без компенсаторов давления, хоть и с компромиссами в производительности. Устройство 161 смешивания топлива и воздуха предпочтительно является устройством смешивания типа трубки Вентури или другого типа, который не использует движущиеся части в подаче потока, тем самым максимизируя долговечность и однородность воздушно-топливной смеси для условий протекания, фактически предоставляемых в камеры 180 сгорания. Наиболее предпочтительно, устройство 161 смешивания топлива и воздуха существует в форме, которая включает в себя кольцо топливных форсунок, чтобы помогать сохранять пользу точного регулирования ṁ-расхода, обеспечиваемого посредством дроссельной системы 10.

[00084] После того как правильная воздушно-топливная смесь 150 предоставляется устройством 161 смешивания топлива и воздуха, эта смесь 150 протекает по направлению к двигателю 102. Воздушно-топливная смесь 150 проходит через турбонагнетатель 172. Турбонагнетатель 172 забирает рециркулирующий газ из выхлопа 171 перед турбиной, смешивает его с воздушно-топливной смесью 150 и сжимает ее. После выхода из турбонагнетателя 172 воздушно-топливная смесь 150 проходит через выходной охладитель 174 турбины. Выходной охладитель 174 турбины охлаждает воздушно-топливную смесь 150, прежде чем она поступает в двигатель 102. Необходимо уменьшать температуру воздушно-топливной смеси, чтобы предоставлять возможность плотного впуска в двигатель 102, тем самым, увеличивая выходную мощность двигателя 102. Выхлопной газ 173 после турбины протекает в трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (TWC) 175. Как будет понятно специалистам в области техники, TWC 175 уменьшает загрязняющие вещества, прежде чем выхлопной газ выпускается в окружающую среду. Хотя не иллюстрировано на чертежах, специалисты в области техники поймут, что предпочтительные варианты осуществления будут включать в себя различные компоненты, которые не показаны. Кроме того, другие компоненты типа фильтров и клапанов сброса давления также не показаны. Относительно любых таких упрощений и опущений из чертежей следует понимать, что предпочтительные варианты осуществления включают их в себя в таком характере и конфигурации, которые будут, в целом, понятны в индивидуальном суждении специалистов в области техники.

[00085] Поток воздушно-топливной смеси 150 регулируется посредством воздушно-топливного дросселя 140, который предпочтительно является электронным дросселем, который дополнительно обеспечивает сохранение очень точного регулирования расхода, обеспечиваемого посредством дросселя 10 подачи на фиг. 10. Соответственно, воздушно-топливный дроссель 140 предпочтительно также конструируется с той же базовой структурой и программным обеспечением, что и дроссель 10, хоть и предпочтительно с адаптациями, чтобы приспосабливаться к различным диапазонам давления, которые будут испытываться ниже по потоку от устройства 161 смешивания и возможно с меньшей защитой внутренних компонентов от коррозионных воздействий более концентрированных видов топлива, которые будут встречаться выше по потоку от устройства 161 смешивания. Так как фиг. 10 подключает и использует дроссель 10 для регулирования массового расхода самого топлива, этот тип размещения дросселя иногда называется дросселем массового расхода газа (или "MFG"-дросселем). В отличие от этого, воздушно-топливный дроссель 140, который используется, чтобы добиваться очень точного регулирования массового расхода воздушно-топливной смеси 150, иногда называется дросселем массового расхода воздуха или "MFA"-дросселем, независимо от того, смешивается или нет топливо с воздухом в точке этого регулирования.

[00086] Предпочтительно, воздушно-топливный дроссель 140 также конструируется согласно учениям настоящего изобретения, с той же базовой структурой, что и дроссель 10 подаваемого потока, который используется в качестве MFG-дросселя для регулирования массового расхода топлива самого по себе. Следовательно, очень точный подаваемый поток топлива MFG-дросселя 10 на фиг. 10 предпочтительно объединяется с очень точным регулированием массового расхода подаваемого воздуха, осуществляемым посредством воздушно-топливного дросселя 140, сконструированного согласно тем же базовым учениям, что и MFG-дроссель 10. Альтернативно, полное и очень точное регулирование массового расхода может также быть достигнуто посредством объединения MFG-дросселя вместе с MFA-дросселем, который подключается к источнику 160 воздуха выше по потоку от устройства 161 смешивания топлива и воздуха. Либо такое сочетание, либо сочетание, иллюстрированное на фиг. 10, или альтернативное сочетание использования аналогичного дросселя для регулирования массового расхода воздуха 160 самого по себе, предоставляет возможность всеобъемлющего регулирования массового расхода всех подаваемых потоков для сжигания. Кроме того, в целом, точное общее регулирование может также быть достижимым посредством регулирования только массового расхода топлива, без активного регулирования массового расхода воздуха, если другие достоверные данные используются для вычисления этого массового расхода воздуха, например, посредством использования кислородных датчиков в сочетании с давлением, температурой и т.п. При любом выборе для конкретного применения мы надеемся, что специалисты в области техники поймут, где и как включать такие дроссели для различных целей, чтобы добиваться различных сочетаний для общего регулирования массового расхода.

[00087] При любом выборе результирующая воздушно-топливная смесь 150 затем функционально привносится в камеры 180 сгорания двигателя 102 под управлением ECM 100. В камерах 180 сгорания воздушно-топливная смесь 150 затем функционально зажигается с помощью искры, чтобы вызывать рабочее горение.

[00088] Удивительно, использование такого MFG-дросселя вместе с таким MFA-дросселем предоставляет возможность кардинально усовершенствованного цикла разработки для двигателей. Тогда как большие двигатели внутреннего сгорания на природном газе с искровым зажиганием исторически требовали значительного времени и затрат, чтобы заканчивать и утверждать проект двигателя перед коммерческим выходом, очень точное регулирование массового расхода настоящего изобретения предоставляет возможность значительно упрощенной разработки, возможно без каких-либо затрат на испытательный стенд. Хотя промышленность вероятно продолжит использовать испытательные стенды для завершения проектов, точные регулировки, разрешаемые настоящим изобретением, будут предоставлять возможность гораздо менее строгих стандартов в процессе, не говоря уже о способности добиваться очень точного регулирования массового расхода, несмотря на очень переменчивое качество топлива, состав воздуха и другие факторы окружающей среды.

Стратегия регулирования дросселя

[00089] Как будет понятно специалистам в области техники, следующие уравнения массового расхода используются для описания недросселированного потока газов через дроссельное отверстие. Уравнение (1) является уравнением массового расхода для идеальных газов, а уравнение (2) использует коэффициент "Z" сжимаемости газа для корректировки массового расхода реальных газов.

В этих уравнениях "ṁ" является массовым расходом; "C" представляет собой безразмерный коэффициент расхода дроссельного отверстия; "A₂" представляет собой площадь поперечного сечения дроссельного отверстия ("эффективная площадь"); "ρ₁" представляет собой верхняя по потоку плотность реального газа; "P₁" представляет собой верхнее по потоку давление газа; "P₂" представляет собой нижнее по потоку давление газа; "M" представляет собой молекулярная масса газа; "T₁" представляет собой абсолютная верхняя по потоку температура газа; "Z" представляет собой безразмерный коэффициент сжимаемости газа при "P₁" и "T₁"; и "R" представляет собой универсальная газовая постоянная.

[00090] Со ссылкой на фиг. 10, алгоритм 990 регулирования дросселя определяет A₂ "эффективную площадь", необходимую, чтобы добиваться требуемого расхода ṁ, с помощью уравнения (2). P₂, P₁ и T₁ измеряются, как ранее описано, и эти значения используются в уравнении (2). Микроконтроллер 930 постоянно использует алгоритм 990 регулирования дросселя, чтобы добиваться точных расходов ṁ, в то время как параметры изменяются. После того как "эффективная площадь" A₂ определяется по алгоритму 990 регулирования дросселя, сигнал передается бесщеточному электродвигателю 700. Бесщеточный электродвигатель 700 является актуатором, который управляет перемещением вала 710 дросселя, тем самым, регулируя дроссельную заслонку 210 дросселя 20 подаваемого газа до тех пор, пока требуемая "эффективная площадь" A₂ не будет достигнута. Бесщеточный электродвигатель 700 предпочтительно является быстродействующим актуатором, предпочтительно функционирующим, чтобы перемещать дроссельную заслонку 210 по всему ее диапазону перемещения за пятьдесят миллисекунд или менее. Быстродействующие актуаторы предпочтительно функционируют, чтобы перемещать задействуемый элемент через большую часть его функционального диапазона перемещения (предпочтительно от 20% до 80% хода), если не весь этот функциональный диапазон, за пятьдесят миллисекунд или менее, хотя многие другие типы актуаторов все еще вероятно должны быть подходящими в качестве альтернатив, в частности, до такой степени, когда отдельные элементы формулы изобретения явно не отрицаются, чтобы требовать отдельных характеристик быстродействия.

Рабочие давления - низкое давление

[00091] Хотя будет понятно, что адаптации могут быть выполнены для других условий выше по потоку, давление в подающей линии 376 во впускном отверстии 390 подачи предпочтительно регулируется посредством механического регулятора 370 давления, чтобы быть приблизительно равным избыточному рабочему давлению слегка выше одной атмосферы, хотя когда дроссель 10 используется в качестве MFG-дросселя, давления могут быть такими высокими как 2,5 бар абсолютного давления или, в случае MFA-применения, такими высокими как четыре бар абсолютного давления.

[00092] Хотя не являются обязательными для очень точного регулирования массового расхода, некоторые способы регулирования дросселя 10 большого двигателя могут также быть дополнительно настроены, чтобы добиваться желаемого регулирования в зависимости, частично, от фактических или расчетных условий текучей среды даже дальше вниз по потоку, например, посредством нижнего по потоку датчика 121, наблюдающего за давлением (обозначенным как "P₃" для наших целей), который наблюдается посредством ECM 100, и для которого показательный информационный сигнал 120 является непрерывно доступным из ECM 100 (или из сети передачи данных, ассоциированной с ECM 100). Конкретное значение P₃ информационного сигнала 120 представляет любой доступный информационный поток от двигателя 102, который является характеристикой давления текучей среды перед сжиганием в двигателе 102. Такой нижний по потоку датчик 121 может быть традиционным модулем датчика температуры и абсолютного давления в коллекторе (TMAP), расположенным во впускном коллекторе двигателя ниже по потоку от воздушно-топливного дросселя 140. В дополнение, или в качестве альтернативы, к традиционному TMAP-датчику 121, нижние по потоку данные могут также быть собраны от модуля датчика давления на впуске дросселя (TIP) выше по потоку от воздушно-топливного дросселя 140. Опять же, тем не менее, несмотря на вероятные выгоды знания дополнительного нижнего по потоку давления P₃ для некоторых вариантов изобретения, наиболее предпочтительные варианты осуществления дросселя 10 опускают рассмотрение данных P₃ от датчика 121 как ненужных, вместо этого выбирая простоту и экономию затрат.

Альтернативные виды топлива

[00093] Газообразное топливо для этих целей означает топливо, которое находится в газообразном состоянии при стандартных рабочих температурах и давлениях. В предпочтительных в настоящее время вариантах осуществления газообразное топливо является природным газом, получаемым либо из состояния хранения сжиженного природного газа (LNG), либо сжатого природного газа (CNG). В то время как наиболее предпочтительные варианты осуществления приспосабливаются для использования с этими видами топлива, адаптации будут очевидны специалистам в области техники для использования аспектов этого изобретения с другими видами топлива в альтернативных вариантах осуществления. Такие альтернативные варианты осуществления приспосабливаются, например, для использования с водородом или другими газообразными топливами, такими как пропан, бутан или другие газовые смеси, включающие в себя смеси, общие со смесями сжиженного углеводородного газа (LPG). В действительности, хотя настоящее изобретение фокусируется на отдельных областях техники, к которым предпочтительные варианты осуществления применяются, также может быть хорошо то, что некоторые аспекты изобретения могут быть найдены революционными также в других областях техники.

Альтернативы в целом

[00094] В то время как предшествующие описания и чертежи должны предоставлять возможность обычному специалисту создавать и использовать то, что в настоящее время считается оптимальным режимом изобретения, они должны рассматриваться скорее иллюстративным, а не ограничивающим образом во всех отношениях. Обычные специалисты поймут и оценят существование бесчисленных модификаций, изменений, разновидностей, сочетаний, переконфигураций, замен, альтернатив, вариантов выбора конструкции и эквивалентов ("Альтернативы"), большинство, если не все из которых могут быть выполнены без отступления от духа и рамок изобретения.

[00095] Следовательно, изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления и примерами, а, скорее, охватывает все возможные варианты осуществления в действительных рамках и сущности изобретения, которые заявлены, так как формула изобретения может быть исправлена, заменена или иначе модифицирована в ходе связанного отстаивания исковых требований. Любая текущая, исправленная или дополненная формула изобретения должна интерпретироваться как охватывающая все дополнительные модификации, изменения, переконфигурации, замены, альтернативы, варианты выбора конструкции и варианты осуществления, которые могут быть очевидны специалистам в данной области техники, известные ли сейчас или узнанные позже. В любом случае, все эквиваленты следует рассматривать в рамках изобретения до степени, явно отрицаемой во время отстаивания исковых требований, или до степени, необходимой для сохранения действительности отдельных пунктов формулы изобретения в свете предшествующего уровня техники.

1. Дроссель для двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, выполненный с возможностью обеспечения регулирования массового расхода потока подаваемого газа для двигателя на основе сигнала управления двигателем, который представляет мгновенный требуемый массовый расход для потока подаваемого газа, причем упомянутый поток подаваемого газа является подаваемым потоком газов для сжигания, таких как воздух или газообразное топливо или сочетание топлива и воздуха, при этом упомянутый дроссель содержит:

a. единый блочный узел, определяющий впускное отверстие для подаваемого потока, выпускное отверстие для подаваемого потока, по меньшей мере два отверстия для отбора давления и непрерывный проточный канал между упомянутым впускным отверстием для подаваемого потока и упомянутым выпускным отверстием для подаваемого потока;

b. дроссельную заслонку, подвижно расположенную в упомянутом непрерывном проточном канале, посредством которой эффективная площадь проточного отверстия дросселя определяется между упомянутой дроссельной заслонкой и упомянутым непрерывным проточным каналом;

c. быстродействующий поворотный актуатор, установленный на упомянутый единый блочный узел, причем упомянутый поворотный актуатор имеет вращающийся приводной вал, соединенный за одно целое с упомянутой дроссельной заслонкой, при этом упомянутый поворотный актуатор функционально соединен, чтобы приводить в действие упомянутый вращающийся приводной вал и непосредственно управлять положением упомянутой дроссельной заслонки относительно упомянутого непрерывного проточного канала, и, следовательно, регулировать размер эффективной площади упомянутого проточного отверстия дросселя; и

d. схему управления, связанную по меньшей мере с одной платой печатного монтажа (PCB), причем упомянутая схема управления содержит микроконтроллер, множество датчиков давления, термистор; при этом

e. первое отверстие для отбора давления из упомянутых двух отверстий для отбора давления является открытым для непосредственного сообщения по текучей среде с упомянутым непрерывным проточным каналом в месте, которое находится выше по потоку от упомянутой дроссельной заслонки;

f. второе отверстие для отбора давления из упомянутых двух отверстий для отбора давления является открытым для непосредственного сообщения по текучей среде с упомянутым непрерывным проточным каналом в месте, которое находится ниже по потоку от упомянутой дроссельной заслонки;

g. первый датчик давления из упомянутого множества датчиков давления связан с первым из упомянутых двух отверстий для отбора давления для определения давления в нем;

h. второй датчик давления из упомянутого множества датчиков давления связан со вторым из упомянутых двух отверстий для отбора давления для определения давления в нем;

i. третий датчик давления из упомянутого множества датчиков давления ориентирован, чтобы определять разницу в давлении между двумя местоположениями в упомянутом непрерывном проточном канале, причем первое такое местоположение находится выше по потоку от упомянутой дроссельной заслонки, а второе такое местоположение находится ниже по потоку от упомянутой дроссельной заслонки;

j. упомянутый термистор расположен, чтобы определять температуру газообразного потока в упомянутом непрерывном проточном канале;

k. упомянутый микроконтроллер имеет соединения для приема сигнала управления двигателем, представляющего мгновенный требуемый массовый расход для потока подаваемого газа, при этом упомянутый микроконтроллер имеет соединения для непосредственной или опосредованной связи с упомянутым поворотным актуатором для отправки сигналов упомянутому поворотному актуатору, чтобы управлять работой упомянутого поворотного актуатора, и упомянутый микроконтроллер запрограммирован, чтобы взаимозависимо координировать работу упомянутого дросселя, изменяя срабатывание упомянутого поворотного актуатора, чтобы, тем самым, уменьшать очень точный массовый расход потока подаваемого газа, который соответствует мгновенному требуемому массовому расходу для потока подаваемого газа.

2. Дроссель по п. 1, в котором упомянутая схема управления дополнительно содержит датчик положения, причем упомянутый датчик положения ориентирован, чтобы непосредственно или опосредованно определять положение упомянутой дроссельной заслонки для обеспечения точного регулирования положения упомянутой дроссельной заслонки и тем самым обеспечения очень точного регулирования потока подаваемого газа.

3. Дроссель по п. 1, в котором:

упомянутый единый блочный узел дополнительно определяет множество пространств, в которых по меньшей мере части упомянутого вращающегося приводного вала являются функционально вращаемыми;

упомянутый вращающийся приводной вал является несочлененным и имеет часть определяемого положения, которая расположена по меньшей мере частично по меньшей мере в первом из упомянутого множества пространств; и

упомянутая схема управления дополнительно содержит узел датчика положения, расположенный в упомянутом первом из упомянутого множества пространств; и дополнительно содержит:

первый, второй и третий подшипниковые узлы для поддержания упомянутого вращающегося приводного вала в соответствующих первом, втором и третьем местоположениях по его длине, при этом упомянутое первое местоположение и упомянутое второе местоположения находятся на противоположных сторонах упомянутого непрерывного проточного канала, электродвигатель упомянутого поворотного актуатора расположен между упомянутым вторым и третьим местоположениями;

причем упомянутая часть определяемого положения упомянутого вращающегося приводного вала продолжается от упомянутого электродвигателя в направлении от упомянутого непрерывного проточного канала, и упомянутая часть определяемого положения продолжается в упомянутое первое из упомянутого множества пространств; и

упомянутый узел датчика положения упомянутой схемы управления установлен на части упомянутой PCB, причем упомянутая часть упомянутой PCB ориентирована вблизи упомянутой части определяемого положения упомянутого вращающегося приводного вала, для точного определения положения упомянутого вращающегося приводного вала, тем самым, опосредованно определяя положение упомянутой дроссельной заслонки.

4. Дроссель по п. 1, в котором упомянутый единый блочный узел содержит упомянутый поворотный актуатор и упомянутую PCB, и упомянутый вращающийся приводной вал является несочлененным, и упомянутый единый блочный узел дополнительно содержит множество подшипниковых узлов для поддержания упомянутого вращающегося приводного вала в соответствующем множестве местоположений по его длине, причем первый и второй из упомянутого множества подшипниковых узлов расположены на противоположных сторонах упомянутого непрерывного проточного канала.

5. Дроссель по п. 1, который предназначен для большого двигателя, снабжаемого топливом посредством источника газообразного топлива, и при этом:

упомянутый дроссель выполнен с возможностью функционального соединения для регулирования потока подачи газообразного топлива упомянутого двигателя, тем самым, обеспечивая очень точное регулирование массового расхода источника газообразного топлива;

упомянутый единый блочный узел определяет множество пространств, в которых упомянутый вращающийся приводной вал является функционально вращаемым;

упомянутый поворотный актуатор содержит бесщеточный электродвигатель, расположенный и установленный на упомянутом едином блочном узле по меньшей мере в одном из упомянутого множества пространств;

упомянутая PCB расположена и установлена на упомянутом едином блочном узле по меньшей мере в одном из упомянутого множества пространств, и электронные компоненты упомянутой PCB покрыты покрытием, которое является защитным для таких электронных компонентов от коррозионных в ином случае характеристик источника газообразного топлива, который упомянутый дроссель функционально регулирует;

упомянутый вращающийся приводной вал содержит арматуру, продолжающуюся радиально от него; и

упомянутый датчик положения определяет положение упомянутой арматуры в диапазоне возможных положений для упомянутой арматуры, тем самым, позволяя определить положение, которое непосредственно коррелирует с положением упомянутой дроссельной заслонки относительно упомянутого непрерывного проточного канала.

6. Дроссель по п. 1, который обеспечивает очень точное регулирование расхода для подаваемого воздуха, с и или без топлива, смешанного с ним.

7. Дроссель по п. 1, в котором:

a. упомянутый единый блочный узел определяет множество пространств;

b. по меньшей мере часть упомянутого вращающегося приводного вала является функционально вращаемой по меньшей мере в одном пространстве из упомянутого множества пространств;

c. упомянутый поворотный актуатор содержит шаговый электродвигатель, расположенный и установленный на упомянутом едином блочном узле по меньшей мере в одном пространстве из упомянутого множества пространств; и

d. упомянутая схема управления дополнительно содержит узел датчика положения, установленный на части упомянутой PCB, причем упомянутый узел датчика положения выполнен с возможностью точного определения положения упомянутого вращающегося приводного вала, причем упомянутый узел датчика положения содержит множество датчиков на эффекте Холла.

8. Дроссель по п. 7, в котором упомянутый вращающийся приводной вал является несочлененным, и упомянутый единый блочный узел дополнительно содержит множество подшипниковых узлов для поддержки упомянутого вращающегося приводного вала во множестве мест по его длине.

9. Дроссель по п. 1, в котором подаваемый поток через упомянутый дроссель содержит недросселированный поток.

10. Дроссель по п. 9, в котором мгновенный требуемый массовый расход потока подаваемого газа определяется по меньшей мере частично на основе усредненных по времени давлений, определенных посредством упомянутого множества датчиков давления, причем упомянутые усредненные по времени давления усредняются в течение периода времени, соответствующего единственному циклу сгорания в цилиндре двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, для которого упомянутые подаваемые потоки регулируются.

11. Средство регулирования подаваемого потока для большого двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, содержащее комбинацию дросселя по п. 5, присоединенного для очень точного регулирования массового расхода подаваемого газообразного топлива, даже если поток упомянутого источника газообразного топлива является недросселированным, и дросселя по п. 6, присоединенного для очень точного регулирования массового расхода подаваемого воздуха, с или без топлива, смешанного с подаваемым воздухом, даже если поток упомянутого подаваемого воздуха является недросселированным.