气体流量燃料计量的制作方法

优先权声明

本申请要求2015年4月20日提交的美国临时申请第62/150,017号的优先权，该申请的内容以引用方式并入本文中。

本说明书涉及用于以气体燃料运行的燃烧发动机的燃料计量阀。

背景技术：

气体燃料系统用于各种内燃发动机，例如用于车辆和工业场合的往复式或涡轮式发动机。这些发动机可以利用提供来自液化天然气(lng)或压缩天然气(cng)源的天然气(主要为甲烷)或诸如丙烷或氢气的其他气体燃料的燃料系统。在许多系统中，燃料计量阀操作来控制输送到发动机的气体燃料的流量。对于燃油计量阀的准确性和可靠性的问题通常基于当来自多个传感器的输出用作燃料质量流量计算的输入时的误差累积。

技术实现要素：

在本公开的第一方面中，一种燃料计量阀包括：阀体，其在入口端口和出口端口之间的内室中容纳阀元件，该阀元件调节通过阀体的燃料流量；致动器，其被联接以使阀元件相对于阀体移动；控制器，其被配置成基于差压和绝对压力测量值经由致动器调节阀体的位置，以实现通过阀体的燃料的目标质量流量；以及差压和绝对压力传感器，其被布置成提供压力测量值。基于预定最大亚音速差压，差压传感器仅在有限的刻度范围内进行精度校准。

在第一方面的一些实施例中，燃料流包括气态流体流。

在第一方面的一些实施例中，控制器被配置成基于压力测量值来识别阀元件上的音速或亚音速流动状态。在第一方面的一些实施例中，控制器还被配置成：响应于识别亚音速流动状态，实施第一组的一个或多个流动方程以实现目标质量流量；并且响应于识别音速流动状态，实施第二组的一个或多个不同的流动方程以实现目标质量流量。在第一方面的一些实施例中，仅第一组流量方程包括作为输入的差压测量值。

在第一方面的一些实施例中，差压传感器流体地联接到上游压力探针和下游压力探针，使得差压测量值对应于阀元件上的差压。在第一方面的一些实施例中，上游压力探针包括皮托管探针，下游压力探针包括静态压力探针。在第一方面的一些实施例中，预定最大亚音速差压包括确定为最大量值压力差的最大预期亚音速压差，该最大量值压力差对应于大于或等于在系统操作条件的预期范围内的燃料的临界压力的压力比。

在第一方面的一些实施例中，有限的刻度范围限定小于或等于燃料计量阀的预定最大差压的上限。在第一方面的一些实施例中，有限的刻度范围限定大于或等于预定最大亚音速差压的上限。

在本公开的第二方面中，燃烧发动机系统包括：燃料源；发动机，其通过由燃料源提供的燃料的燃烧产生机械动力；以及燃料计量阀，其位于发动机上游和燃料源下游，该燃料计量阀调节从燃料源提供的气体燃料的流量。燃料计量阀包括：阀体，其在入口端口和出口端口之间的内室中容纳阀元件，该阀元件调节通过阀体的燃料流量；致动器，其被联接以使阀元件相对于阀体移动；控制器，其被配置成基于差压和绝对压力测量值经由致动器调节阀体的位置，以实现通过阀体的燃料的目标质量流量；以及差压和绝对压力传感器，其被布置成提供压力测量值。基于预定最大亚音速差压，差压传感器仅在有限的刻度范围内进行精度校准。

在第二方面的一些实施例中，燃烧发动机系统还包括发动机控制单元，其可通信地联接到燃料计量阀并且被配置成经由燃料需求信号提供目标质量流量。

在第二方面的一些实施例中，燃料流包括气态流体流。

在第二方面的一些实施例中，控制器被配置成基于差压测量值来识别阀元件上的音速或亚音速流动状态。在第二方面的一些实施例中，控制器还被配置成：响应于识别亚音速流动状态，实施第一组的一个或多个流量方程以实现目标质量流量；并且响应于识别音速流动状态，实施第二组的一个或多个不同的流量方程以实现目标质量流量。在第二方面的一些实施例中，仅第一组流量方程包括作为输入的差压测量值。

在第二方面的一些实施例中，差压传感器流体地联接到上游压力探针和下游压力探针，使得差压测量值对应于阀元件上的差压。在第二方面的一些实施例中，上游压力探针包括皮托管探针，下游压力探针包括静态压力探针。在第二方面的一些实施例中，预定最大亚音速差压包括确定为最大量值压力差的最大预期亚音速差压，该最大量值压力差对应于大于或等于在系统操作条件的预期范围内的燃料的临界压力的压力比。

在第二方面的一些实施例中，有限的刻度范围限定小于或等于燃料计量阀的预定最大差压的上限。在第二方面的一些实施例中，有限的刻度范围限定大于或等于预定最大亚音速差压的上限。

在本公开的第三方面中，一种构造燃料计量阀的方法包括：识别在燃烧发动机系统的预期操作范围内的多个操作条件；基于所识别的操作条件确定最大预期亚音速差压；以及将差压传感器安装到燃料计量阀中，该差压传感器基于所确定的最大预期亚音速差压仅在有限的刻度范围内进行精度校准。在一些实施例中，差压传感器的校准还包括并入适当的误差容限，同时仍然保持小于最大预期差压。

在第三方面的一些实施例中，识别多个操作条件包括识别在燃烧发动机系统的预期操作范围内的多个上游和下游压力对。在第三方面的一些实施例中，确定最大预期亚音速差压包括基于多个上游和下游压力对确定最大量值压力差，该最大量值压力差对应于大于或等于预定燃料(例如，具有适当的容限)的临界压力的压力比。

在第三方面的一些实施例中，安装差压传感器包括将差压传感器流体地联接到上游压力探针和下游压力探针。在第三方面的一些实施例中，上游压力探针包括皮托管探针，下游压力探针包括静态压力探针。在第三方面的一些实施例中，安装差压传感器还包括将差压传感器定位在可通信地联接到燃料计量阀的主控制器的传感器模块的外壳内。

在第三方面的一些实施例中，有限的刻度范围限定小于或等于燃料计量阀的预定最大差压的上限。在第三方面的一些实施例中，有限的刻度范围限定大于或等于最大预期亚音速差压的上限。

在本说明书中描述的主题的一个或多个实施方式的细节在附图和下面的描述中阐述。本主题的其它特征、方面和优点将从描述、附图和权利要求书变得显而易见。

附图说明

图1是示例性燃烧发动机系统的示意图。

图2a-2d是示例性燃料计量阀的透视图、俯视图、后视图和前视图。

图3是示例性燃料计量阀的一部分的示意图。

图4是用于构造示例性燃料计量阀的过程的流程图。

在各个附图中，类似的附图标记和名称可以指示类似的元件。

具体实施方式

首先参考图1，燃烧发动机系统100包括燃料源102、燃料计量阀200、发动机104和发动机控制单元(ecu)106。发动机104通过由燃料源102提供的气体燃料的燃烧产生机械动力。在一些示例中，发动机104是工业或航改燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机可以包括联接到下游涡轮的上游压缩机，以及位于涡轮和压缩机之间的燃烧室。燃烧室接收来自压缩机的空气和来自燃料源102的气体燃料，并且燃料空气混合物被点燃以产生高温高压流体流以驱动涡轮的轴。在一些示例中，发动机104是往复式内燃发动机，其特征在于由来自与空气混合的气体燃料的燃烧能量驱动的可移动活塞。活塞的线性运动通过合适的机械联动装置(例如连杆)转换成曲轴的旋转运动。

燃料源102可以包括大型储罐、较小的压力容器(例如，压缩气瓶)和/或气体输送管线。由燃料源102提供的气体燃料108的流可以包括适合于由发动机104燃烧的任何等级或品质的环境气相流体(例如，从甲烷到填埋气体到煤气，以及从lng到丙烷气体的气体燃料)。在一些示例中，如下所述，燃料计量阀200是集成的数字补偿的控制阀和致动器系统，用于调节和计量从燃料源102提供的气体燃料108的流量，使得发动机104接收适合于提供所需功率输出的气体燃料108'的计量流。ecu106向燃料计量阀200和发动机104发送并从燃料计量阀200和发动机104接收信号110a、110b，以确保发动机104在使用期间的正确操作。作为一个特定示例，燃料计量阀200可以被设计成从ecu106接收燃料速率需求信号110b。燃料速率需求信号110b可以对应于发动机104所需的燃料的物理质量流量。如下所述，燃料计量阀200并入了监测燃料压力、温度和阀压力差的反馈传感器。基于这些传感器信号，燃料计量阀200调节阀门开度以产生燃料108'的物理质量流量。

在燃烧发动机系统100的上述描述中，为了简化描述，可以省略各种设备，例如管道、阀、泵、紧固件、配件等。然而，本领域的技术人员将认识到，可以根据需要采用这种常规设备。本领域的技术人员还应当理解，所描述的各种部件被叙述为用于上下文目的的说明，并且不限制本公开的范围。

图2a-2d描绘了示例性的流体计量阀200，该流体计量阀例如可以并入上述燃烧发动机系统100中。如图所示，燃料计量阀200包括容纳阀元件204(参见图2d)的阀体202、传感器模块206、致动器208和阀控制器210。阀体202位于入口管212和出口管214之间。入口管212包括由内凸缘218a和外凸缘220a包围的管状主体216a。类似地，出口管214包括由内凸缘218b和外凸缘220b包围的管状主体216b。内凸缘218a、218b通过机械紧固件224联接到阀体202的配合凸缘222。凸缘222限定阀体202的入口端口和出口端口。入口管212能够通过外凸缘220a联接到从燃料源102引出的上游管道。出口管能够通过外凸缘220b联接到通往发动机104的下游管道。

在阀体202的凸缘222之间设置内室以容纳阀元件204(参见图2d)。入口管212和出口管214的中心孔与阀体202的入口端口和出口端口对齐，并且因此与内室流体连通以形成通过流体计量阀200的连续流动路径。阀元件204可相对于阀体202移动，以通过改变通过阀的流动路径的大小(“阀面积”)来调节通过其中的气体燃料108的流量。缩小阀面积的阀元件204的移动将减小燃料的质量流量，并且增大阀面积的移动将增加燃料质量流量。在该示例中，阀元件204是安装在可旋转阀轴228上的旋转蝶阀。阀轴228联接到致动器208的旋转驱动杆(未示出)。致动器208用作旋转定位器以将阀轴228和因此阀元件204旋转到指定的角度位置。在该示例中，致动器208包括电磁伺服驱动系统，其包括位移传感器和集成控制器。然而，在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其他合适的驱动系统，例如电液伺服驱动器、步进马达、气动致动器或有限角度扭矩马达。

阀元件204在图2c和图2d中描绘为处于完全关闭位置，其蝶形盘的面与阀体202的入口端口完全对齐以阻止流体流动。阀元件204沿着阀轴228的中心轴线的逐渐旋转将蝶形盘转动至不与阀体202的入口端口对齐，以逐渐打开流动路径并增大阀面积，这增加了输送到发动机104的气体燃料的质量流量。阀元件204可以通过致动器208经由阀轴228而旋转通过在完全关闭位置和完全打开位置之间的多个位置，在所述位置处蝶形盘被转动远离(例如正交于)阀体202的入口端口。

示例性流体计量阀200的阀控制器210可通信地联接到致动器208。阀控制器210的电路可以包括一个或多个微处理器，其被配置成执行存储在一个或多个存储器设备上的计算机可读指令以实现本文描述的任何控制操作。在一些示例中，在使用期间，阀控制器210提供位置命令信号，该信号由致动器208的集成控制器接收并由驱动系统执行，以改变阀体202内的阀元件204的角位置，如上所述。阀控制器210基于经由数据端口230从ecu106(参见图1)接收的燃料速率需求信号110b(参见图1)来导出位置命令信号。即，阀控制器210确定对应于需要物理地实现燃料速率需求信号110b所指示的质量流量的阀面积的阀元件204的角位置。在该示例中，阀控制器210被配置(例如，适当地配备和编程)成计算阀面积并且导出在亚音速和音速流动状态下对应的位置命令信号。此外，在一些示例中，阀控制器210可以与致动器208完全集成，使得阀控制器210直接操作致动器208的驱动系统。

在示例性实施例中，传感器模块206经由数据传输电缆232可通信地联接到阀控制器210。传感器模块206包括安装到出口管214的外壳234和封闭在外壳234的内部空间内的一系列传感器，所述传感器以预定的采样率经由数据传输电缆232连续地向阀控制器210提供输出。阀控制器210接收传感器输出信号并基于其中包含的数据计算必要的阀面积。在该示例中，传感器模块206包括入口压力传感器、差压传感器和温度传感器(参见图3)。然而，在本公开的范围内也可以设想其他合适的传感器配置。如图2c和图2d所示，燃料计量阀200包括安装在入口管212上的滞止(总)压力探针236(例如，皮托管探针)以及安装在出口管214上的静压力探针(未示出)和温度探针238。流体管线240将滞止压力探针236流体地联接到传感器模块206。

图3示出了适用于示例性燃料计量阀300的示例性传感器配置。在该示例中，燃料计量阀300包括：入口压力传感器342，其流体地联接到位于阀元件304的入口(上游)侧的滞止压力探针336；差压传感器344，其流体地联接到滞止压力探针336和位于阀元件304的出口(下游)侧的静压力探针337；以及温度传感器346，其联接到位于阀元件304的出口侧上的温度探针338(例如，热电偶或热敏电阻器)。入口压力传感器342被适当地配置成测量由燃料源102(参见图1)提供的气体燃料108的进入流的绝对总压力。差压传感器344被适当地配置成测量阀元件304上的滞止-静差压。在一些示例中，差压传感器是双端口电阻式或电容式压力换能器。

重新参考图2a-2d，阀控制器210被配置成通过实施适当的流量方程(其可以存储在计算机存储器中)促进经由致动器208对阀元件204的控制，该方程使用由传感器模块206提供的传感器输出(例如，上游总压力(绝对值)、阀元件204上的差压和下游温度)作为输入变量，以便满足由来自ecu106的燃料速率需求信号110b指示的物理质量流量。在一些实施方式中，发动机104的各种操作条件可以使燃料计量阀200在阀元件204的最小面积处经历亚音速或音速流。当气体燃料流的速度在阀元件204的最小面积处达到1的马赫数时，出现音速流。对于在给定温度下流过燃料计量阀200的给定气体，存在出口(下游)压力与入口(上游)压力(po/pi)的临界压力比(pcr)，在此出现音速流。临界压力比不是对于所有气体都相同，例如，临界压力比对于空气为约0.53，对于天然气为约0.54，对于丙烷为约0.58。当在阀元件204的最小面积处发生音速流时，下游压力(例如，差压)不再对气体燃料的速度和因此质量流量产生影响。然而，在亚音速流动条件下，燃料质量流量高度依赖于差压。因此，阀控制器210可以被适当地配置成在检测到亚音速流动条件时实施第一组的一个或多个流量方程，并且在检测到音速流动条件时实施第二组的一个或多个不同的流量方程。在一些示例中，阀控制器210可以基于入口压力传感器和差压传感器的传感器输出来监测下游与上游的压力比，以检测何时发生音速流。

通常，燃料质量流量是阀面积、燃料压力和燃料温度以及气体燃料的一个或多个性质(例如，气体常数)的函数。同样，与燃料质量流量相关的误差是与每个单独输入相关的误差的函数。如上所述，亚音速质量流量方程和音速质量流量方程之间的显著差异是下游或差压测量值，其仅被用作亚音速流的输入。因此，减小下游或差压测量值中的误差直接减小亚音速质量流量误差，而不是音速质量流量误差。因此，本公开的一个或多个实施例基于以下认识：燃料计量阀200的百分比精度可以通过利用经校准小于燃料计量阀200设计用于适应的差压的整个工作范围的差压传感器(或下游压力传感器)直接提高。在一些示例中，燃料计量阀200的百分比精度可以通过利用在仅超过最大预期亚音速差压的范围内(在适当的误差容限内)校准的差压来提高。利用该技术，直接提高了燃料计量阀200的百分比精度，而不需要并入更精确且因此更昂贵的差压传感器。在此上下文中，“最大预期亚音速差压”是指最大量值压力差(pi-po)，其对应于大于或等于在燃烧发动机系统100的预期操作条件范围内的给定气体的临界压力(pcr)的压力比(po/pi)。

上述技术的增加的益处由以下非限制性示例来证明。在该示例中，燃料计量阀设计成在具有在0至100psia之间的入口压力范围的燃烧发动机系统内操作。最大预期亚音速差压为45psid。差压传感器的精度设置为传感器满刻度的1％。第一差压传感器在从0到100psid的有限的刻度范围(即，燃油计量阀的满量程)内进行校准，因此在总刻度内产生1psid的总误差。第二差压传感器在从0到45psid的刻度范围(即对应于最大预期亚音速差压的有限范围)内进行校准，因此在总刻度内产生0.45psid的总误差。在该示例中，为了使燃料计量阀具有相同的百分比精度，第一差压传感器将需要传感器满刻度的0.45％的精度，这显著小于第二差压传感器的1％的精度规格。

图4示出了用于构造燃料计量阀(例如，燃料计量阀200)的过程400。过程400可以例如结合燃烧发动机系统100的一个或多个部件来实施。此外，过程的操作不需要任何特定的顺序来实现期望的结果。此外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以提供其他操作或者可以从所描述的过程取消操作。

根据过程400，识别(402)在燃烧发动机系统100的预期操作范围内的多个操作条件。在一些示例中，多个操作条件中的每一个可以用燃料计量阀任一侧上的相应上游和下游压力来表示。上游压力可以对应于燃料源和燃料计量阀之间的供应压力。下游压力可以对应于发动机的燃料室压力或气缸压力。在一些示例中，可以通过模拟(例如，通过合适的计算建模软件)或实证检验来识别多个操作条件。基于所识别(402)的多个操作条件来确定(404)最大预期亚音速压力。在一些示例中，最大预期亚音速压力可以用阀元件的上游侧和下游侧之间的差压来确定。在这样的示例中，可以将最大预期亚音速差压确定为与大于或等于在识别(402)的多个操作条件下的给定气体燃料的临界压力的压力比相对应的最大量值压力差。在基于最大预期亚音速差压选择的有限的刻度范围内校准的压力传感器被安装(406)在燃料计量阀中。在一些示例中，有限的刻度范围限定小于或等于燃料计量阀的预定最大差压的上限。在一些示例中，有限的刻度范围限定大于或等于最大预期亚音速差压的上限。在一些实施例中，压力传感器被安装成直接测量阀元件上的差压。在一些示例中，压力传感器可以安装在可通信地联接到燃料计量阀的主控制器的传感器模块的外壳内。

已经描述了本发明的多个实施例。然而，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。例如，各种其他类型的阀元件和组件(例如，挡板阀、单口球阀、球心阀等)可以与上面描述的一个或多个装置、系统和方法结合使用。作为另一示例，可以使用各种其他类型的压力探针和传感器。例如，上述差压传感器可以用布置成测量阀元件下游侧上的绝对压力的压力传感器代替。在这种情况下，差压可以由阀控制器计算，而不是直接测量。最大预期亚音速下游压力由预期的操作条件确定，并且下游压力传感器在确定的压力内在有限的刻度范围内进行校准。作为又一示例，上述燃烧发动机系统可以包括两个或更多个燃料计量阀，例如可以与多级燃气涡轮结合使用。

尽管本发明已经在上文中描述，并且由所附权利要求限定，但是可以根据以下方面备选地限定本发明。

1.一种燃料计量阀，包括：

阀体，其在入口端口和出口端口之间的内室中容纳阀元件，所述阀元件调节通过阀体的燃料流量；

致动器，其被联接以使阀元件相对于阀体移动；

控制器，其被配置成基于差压和绝对压力测量值经由致动器调节阀体的位置，以实现通过阀体的燃料的目标质量流量；和

差压和绝对压力传感器，其被布置成提供压力测量值，

其中，基于预定最大亚音速差压，差压传感器仅在有限的刻度范围内进行精度校准。

2.根据方面1所述的燃料计量阀，其中，控制器被配置成基于压力测量值来识别阀元件上的音速或亚音速流动状态，并且其中，控制器还被配置成：

响应于识别亚音速流动状态，实施第一组的一个或多个流量方程以实现目标质量流量；和

响应于识别音速流动状态，实施第二组的一个或多个不同的流量方程以实现所述目标质量流量。

3.根据方面2所述的燃料计量阀，其中，仅第一组流量方程包括作为输入的差压测量值。

4.根据方面1所述的燃料计量阀，其中，差压传感器流体地联接到上游压力探针和下游压力探针，使得差压测量值对应于阀元件上的差压。

5.根据方面4所述的燃料计量阀，其中，上游压力探针包括皮托管探针，并且下游压力探针包括静压力探针。

6.根据方面1所述的燃料计量阀，其中，预定最大亚音速差压包括确定为最大量值压力差的最大预期亚音速差压，该最大量值压力差对应于大于或等于在系统操作条件的预期范围内的燃料的临界压力的压力比。

7.根据方面1所述的燃料计量阀，其中，有限的刻度范围限定了作为以下中的至少一个的上限：

小于或等于燃料计量阀的预定最大差压；和

大于或等于预定最大亚音速差压。

8.一种燃烧发动机系统，包括：

燃料源；

发动机，其通过由燃料源提供的燃料流的燃烧产生机械动力；和

燃料计量阀，其位于发动机上游和燃料源下游，所述燃料计量阀调节从燃料源提供的燃料流量，并且其中，所述燃料计量阀包括：

阀体，其在入口端口和出口端口之间的内室中容纳阀元件，所述阀元件调节通过阀体的燃料流量；

致动器，其联接成使阀元件相对于阀体移动；

控制器，其配置成基于差压和绝对压力测量值经由致动器调节阀体的位置，以实现通过阀体的燃料的目标质量流量；和

差压和绝对压力传感器，其被布置成提供压力测量值，

其中，基于预定最大亚音速差压，差压传感器仅在有限的刻度范围内进行精度校准。

9.根据方面8所述的燃烧发动机系统，还包括发动机控制单元，所述发动机控制单元可通信地联接到燃料计量阀并且被配置成经由燃料需求信号提供目标质量流量。

10.根据方面8所述的燃烧发动机系统，其中，控制器被配置成基于压力测量值来识别阀元件上的音速或亚音速流动状态，并且其中，控制器还被配置成：

响应于识别亚音速流动状态，实施第一组的一个或多个流量方程以实现目标质量流量；和

响应于识别音速流动状态，实施第二组的一个或多个不同的流量方程以实现所述目标质量流量。

11.根据方面10所述的燃烧发动机系统，其中，仅第一组流量方程包括作为输入的差压测量值。

12.根据方面8所述的燃烧发动机系统，其中，差压传感器流体地联接到上游压力探针和下游压力探针，使得差压测量值对应于阀元件上的差压。

13.根据方面12所述的燃烧发动机系统，其中，上游压力探针包括皮托管探针，并且下游压力探针包括静压力探针。

14.根据方面8所述的燃烧发动机系统，其中，预定最大亚音速差压包括确定为最大量值压力差的最大预期亚音速差压，该最大量值压力差对应于大于或等于在系统操作条件的预期范围内的燃料的临界压力的压力比。

15.根据方面8所述的燃烧发动机系统，其中，有限的刻度范围限定了作为以下中的至少一个的上限：

小于或等于燃料计量阀的预定最大差压；和

大于或等于预定最大亚音速差压。

16.一种构造燃料计量阀的方法，所述方法包括：

识别在燃烧发动机系统的预期操作范围内的多个操作条件；

基于所识别的操作条件确定最大预期亚音速差压；和

将差压传感器安装到燃料计量阀中，所述差压传感器基于所确定的最大预期亚音速差压仅在有限的刻度范围内进行精度校准。

17.根据方面16所述的方法，其中，识别多个操作条件包括识别在燃烧发动机系统的预期操作范围内的多个上游和下游压力对，并且

其中，确定最大预期亚音速差压包括基于多个上游和下游压力对确定最大量值压力差，所述最大量值压力差对应于大于或等于预定燃料的临界压力的压力比。

18.根据方面16所述的方法，其中，安装差压传感器包括将差压传感器流体地联接到上游压力探针和下游压力探针，并且其中，上游压力探针包括皮托管探针，并且下游压力探针包括静压力探针。

19.根据方面16所述的方法，其中，安装差压传感器还包括将差压传感器定位在可通信地联接到燃料计量阀的主控制器的传感器模块的外壳内。

20.根据方面16所述的方法，其中，有限的刻度范围限定了作为以下中的至少一个的上限：

小于或等于燃料计量阀的预定最大差压；和

大于或等于最大预期亚音速差压。