CN114263534A - 一种气体燃料发动机用连续流量阀及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体燃料发动机用连续流量阀及其控制方法，包括执行器磁轭、执行器永磁体阵列、执行器线圈绕组、执行器线圈骨架、燃料室压力传感器、燃料室、位置检测磁环、位置检测磁阻芯片阵列、流量阀阀芯、膜片轴承、阀体和执行器盖等。所述执行器永磁体阵列为Halbach阵列。所述位置检测磁阻芯片阵列组成磁阻式直线位移传感器。所述膜片轴承为流量阀阀芯导向。连续流量阀控制器通过查询预先标定的流量特性曲线获取目标位置，采用驱动电流和流量阀阀芯位置双闭环反馈控制的方式，实现流量阀阀芯运动规律的精确控制，即实现气体燃料流量的快速连续准确控制。本发明提供的连续流量阀适用于气体燃料发动机燃料流量控制等场合。

Description

一种气体燃料发动机用连续流量阀及其控制方法

技术领域

本发明属于流量阀技术领域，具体涉及一种气体燃料发动机用连续流量阀及其控制方法。

背景技术

目前，流量控制阀被广泛应用在气体发动机的燃料供给和航天飞行器高温气体燃料调节上。由于流量及负载较大，目前大都采用的还是电磁铁驱动方式的开关阀，通过脉宽调制的方式对流量进行控制，这种方式输出的气体燃料流量波动较大，一方面降低了系统的动态性能，另一方面造成了能源不必要的浪费。现有的少量气体燃料阀伺服阀，虽然较气体燃料开关阀性能有很大提升，但其功率密度往往太低，在实际运用过程中会偶尔出现推力不足现象，造成气体燃料流量难以把控。如何提高气体燃料伺服阀的功率密度，是行业内人士重点研究的内容之一。

海尔贝克阵列(Halbach Array)是一种磁体结构，是工程上的近似理想结构，目标是用最少量的磁体产生最强的磁场。1979年，美国学者Klaus Halbach做电子加速实验时，发现了这种特殊的永磁铁结构，并逐步完善这种结构，最终形成了所谓的“Halbach”磁铁。近年来，这一理论已被应用于电磁执行器设计当中，但在气体燃料流量阀领域尚未见到应用。

磁阻元件类似霍尔元件，但它的工作原理是利用半导体材料的磁阻效应(或称高斯效应)。与霍尔效应的主要区别在于：霍尔电势是垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。磁阻元件在不同方向磁场作用下表现出电阻变化的特性可用于直线位移量的非接触式测量。磁阻式位置检测磁阻芯片阵列已被应用于角位移的测量，但在电磁直线执行器领域尚未见到应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种气体燃料发动机用连续流量阀及其控制方法，它具有更高的功率密度，较小的外形体积，更易于实现流量阀阀芯位移的精确控制，进而实现气体燃料流量的连续准确控制，还能够在开关阀模式和伺服阀模式之间切换。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种气体燃料发动机用连续流量阀，包括执行器磁轭、执行器永磁体阵列、执行器线圈绕组、执行器线圈骨架、燃料室压力传感器、位置检测磁环、位置检测磁阻芯片阵列、流量阀阀芯、膜片轴承、阀体，

所述执行器磁轭位于阀体的上方，所述阀体内形成燃料室，所述燃料室具有气体燃料入口和气体燃料出口，所述执行器磁轭的中部具有一贯穿孔，所述流量阀阀芯穿过所述贯穿孔，所述流量阀阀芯的下端面向气体燃料出口设置，所述流量阀阀芯的外部套设有位置检测磁环，所述贯穿孔的内壁上设置有位置检测磁阻芯片阵列，所述执行器线圈骨架与所述流量阀阀芯的上部固定连接，所述执行器磁轭的内部具有一环形槽，所述执行器线圈骨架侧部伸入所述环形槽设置，所述执行器线圈绕组缠绕在所述执行器线圈骨架上，所述执行器永磁体阵列为Halbach阵列，在执行器线圈绕组的一侧布置或在两侧同时布置，所述燃料室压力传感器设置于所述燃料室内，所述膜片轴承的中间具有一开口，所述流量阀阀芯的顶部穿过所述开口并与膜片轴承固定连接，所述膜片轴承的周向侧部与所述执行器磁轭固定连接，所述膜片轴承为一柔性或弹性部件，所述流量阀阀芯上下运动时所述膜片轴承能够发生形变。

进一步地，还包括执行器盖，所述执行器盖与所述执行器磁轭顶部之间密封连接。

进一步地，所述执行器磁轭与阀体之间密封连接。

进一步地，所述流量阀阀芯的顶部与膜片轴承通过螺栓固定连接。

进一步地，气体燃料出口与流量阀阀芯下末端的外表面形成文丘里式喷管结构。

进一步地，所述膜片轴承能够沿轴向发生形变，其外形为薄圆片状，其内侧开设有三个中心对称的、弧形的气流通道，外侧开设有六个圆弧形的气流通道。

根据上述的气体燃料发动机用连续流量阀的控制方法，通过发动机气体燃料目标质量流量信号和燃料室内的燃料室压力传感器的压力信号p，查询预先经过实验标定的气体燃料流量特性曲线获取目标位置x*，通过功率变换器向执行器线圈绕组通电流i，流量阀阀芯开始运动，通过比较位置检测磁环和位置检测磁阻芯片阵列组成的磁阻式位移传感器反馈的流量阀阀芯实际位置x与目标位置x*之间的差异，位置控制器采用位置式PID控制算法计算出目标电流i*，通过比较电流传感器反馈的执行器线圈绕组的实际电流i与目标电流之i*间的差异，电流控制器采用增量式PID控制算法使PWM发生器产生所需PWM信号驱动功率变换器，通过功率变换器向执行器线圈绕组通电流。连续流量阀开始工作。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)连续流控：执行器杆下末端的外表面与气体燃料出口形成文丘里喷管，经过精确标定之后，通过控制流量阀阀芯位置就可以实现气体燃料精确连续的控制；

(2)控制精度高：得益于磁阻式直线位移传感器的超高测量精度，电控系统可以准确感知流量阀阀芯位置，并对其位移进行精确控制；

(3)功率密度大：较常规连续流量阀，本发明的连续流量阀功率密度可以大幅提高，同时具有较小的外形体积；

(4)工作模式灵活：本发明的流量阀可以根据需要切换开关阀模式和伺服阀模式，工作模式非常灵活。

附图说明

图1为本发明气体燃料发动机用连续流量阀的结构示意图。

图2为本发明膜片轴承的结构示意图。

图3为本发明气体燃料发动机用连续流量阀的三维结构拆分示意图。

图4为本发明流量阀阀芯位置与气体燃料质量流量关系曲线示意图。

图5为本发明气体燃料发动机用连续流量阀控制方法框图。

图中，1、执行器磁轭，2、执行器永磁体阵列，3、执行器线圈绕组，4、执行器线圈骨架，5、燃料室压力传感器，6、燃料室，7、位置检测磁环，8、位置检测磁阻芯片阵列,9、流量阀阀芯，10、膜片轴承，11、阀体，12、执行器盖。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

结合图1、图2和图3，本发明的一种气体燃料发动机用连续流量阀，包括执行器磁轭1、执行器永磁体阵列2、执行器线圈绕组3、执行器线圈骨架4、燃料室压力传感器5、燃料室6、位置检测磁环7、位置检测磁阻芯片阵列8、流量阀阀芯9、膜片轴承10、阀体11、执行器盖12。执行器永磁体阵2列为Halbach阵列，可仅使用部分Halbach阵列，也可使用完整的Halbach阵列，执行器永磁体为磁环或者磁瓦，同轴地布置在执行器线圈绕组3两侧，如果受限于成本或者体积空间，也可只在执行器线圈绕组3的外侧或者内侧布置，执行器永磁体采用Halbach阵列可以显著增强气隙磁通密度，同时降低执行器磁轭1中磁感应强度，进而提高流量阀电磁执行器的推力密度；执行器线圈骨架4与其直接驱动的流量阀阀芯9联接在一起，两者一同在气隙中做轴向往复直线运动；所述燃料室压力传感器5为单晶硅压力传感器，布置于所述燃料室6内，用于测量燃烧室内气体燃料压力；位置检测磁阻芯片阵列8组成磁阻式直线位移传感器，其利用磁阻元件在不同方向磁场作用下表现出的电阻变化特性来实现直线位移的非接触式测量，根据测量范围的不同，可沿流量阀阀芯9运动方向上均匀地布置1片、2片、3片、直至能满足测量需求为止，位置检测磁阻芯片阵列8需配合位置检测磁环7使用，位置检测磁环7亦可用磁瓦代替，镶嵌于流量阀阀芯外9表面，磁化方向为轴向(向上或者向下)，利用位置检测磁环7磁场的轴对称性消除垂直于被测直线运动方向的运动干扰，位置检测磁环7随流量阀阀芯9一起运动的同时引起位置检测磁阻芯片阵列8的磁阻元件的磁阻变化；膜片轴承10内周通过两个螺栓与上末端带有螺纹的流量阀阀芯9相联(两个螺栓一上一下将膜片轴承10与流量阀阀芯9夹紧固定)，膜片轴承10外周固定于执行器磁轭1内部台阶上，执行器线圈绕组3通电后流量阀阀芯9开始运动，在流量阀阀芯9的带动下膜片轴承10内周可以实现轴向往复运功；执行器盖12与执行器磁轭1之间、执行器磁轭1与阀体11以及阀体之间均设置有密封件，以此来保证流量阀的气密性；阀体11上开有气体燃料出、入口，气体燃料出口与流量阀阀芯9下末端的外表面形成文丘里式喷管结构，使燃料音速流出。

结合图5，根据发动机目标质量流量信号和燃料室6内的燃料室压力传感器5的压力信号p，查询预先经过实验标定的质量流量特性曲线获取目标位置x*，流量阀控制器通过比较磁阻式位移传感器反馈的实际位置x与目标位置x*之间的差异，采用位置式PID控制算法计算出目标电流i*。位置式PID表达式为：

为输出量，即目标电流；e(k)为目标位置和实际位置之间偏差；比例系数K_P、积分时间T_i和微分时间T_d已经过整定。通过比较电流传感器反馈的执行器线圈绕组3的实际电流i与目标电流之i*间的差异，电流控制器采用增量式PID控制算法使PWM发生器产生所需PWM信号驱动功率变换器。增量式PID表达式为

同理，比例系数K_P、积分时间T_i和微分时间T_d已经过整定。功率变换器向执行器线圈绕组3通电流，则连续流量阀开始工作。即流量阀控制器通过处理电流传感器和磁阻式位移传感器的反馈信号，实现驱动电流与流量阀阀芯位置的双闭环反馈控制，以此来达到流量阀阀芯9位移的精确控制，进而控制流量阀座气体燃料出口有效面积大小，最终实现气体燃料流量的连续准确控制；连续流量阀能够在开关阀模式和伺服阀模式之间切换，在开关阀工作模式下，行程固定，气体燃料的喷射量与控制阀保持在最大升程的时间或喷射脉宽相关，在伺服阀工作模式下，需要根据实际的需求对气体流量实时地调节，控制阀的行程能够做到连续任意可调，在工作行程内能从任意起点运动到任意终点。

进一步地，结合图2，膜片轴承10为一柔性或弹性元件，可沿轴向发生形变，其外形为薄圆片状，其内侧开设有3个中心对称的、经过优化的弧形的气流通道，外侧开设有6个圆弧形的气流通道，显著降低运动过程中的受到的气体阻力，膜片轴承10的作用是为流量阀阀芯9导向并减小阀芯的径向晃动，还能够在一定程度上缓解流量阀阀芯9与阀座气体燃料出口之间的冲击，提升流量阀阀芯的使用寿命，提高流量阀的可靠性。

结合图4，连续流量阀阀芯位移与气体燃料质量流量关系曲线是在不同气体燃料压力下，通过实验测得的实际质量流量值绘制而成，供流量阀控制器根据目标质量流量和燃料室压力传感器5测得的燃料室6压力获得目标位置使用。图中仅示意了三个压力下质量流量特性曲线。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。

Claims (7)

1.一种气体燃料发动机用连续流量阀，其特征在于，包括执行器磁轭(1)、执行器永磁体阵列(2)、执行器线圈绕组(3)、执行器线圈骨架(4)、燃料室压力传感器(5)、位置检测磁环(7)、位置检测磁阻芯片阵列(8)、流量阀阀芯(9)、膜片轴承(10)、阀体(11)，

所述执行器磁轭(1)位于阀体(11)的上方，所述阀体(11)内形成燃料室(6)，所述燃料室(6)具有气体燃料入口和气体燃料出口，所述执行器磁轭(1)的中部具有一贯穿孔，所述流量阀阀芯(9)穿过所述贯穿孔，所述流量阀阀芯(9)的下端面向气体燃料出口设置，所述流量阀阀芯(9)的外部套设有位置检测磁环(7)，所述贯穿孔的内壁上设置有位置检测磁阻芯片阵列(8)，所述执行器线圈骨架(4)与所述流量阀阀芯(9)的上部固定连接，所述执行器磁轭(1)的内部具有一环形槽，所述执行器线圈骨架(4)侧部伸入所述环形槽设置，所述执行器线圈绕组(3)缠绕在所述执行器线圈骨架(4)上，所述执行器永磁体阵列(2)为Halbach阵列，在执行器线圈绕组(3)的一侧布置或在两侧同时布置，所述燃料室压力传感器(5)设置于所述燃料室(6)内，所述膜片轴承(10)的中间具有一开口，所述流量阀阀芯(9)的顶部穿过所述开口并与膜片轴承(10)固定连接，所述膜片轴承(10)的周向侧部与所述执行器磁轭(1)固定连接，所述膜片轴承(10)为一柔性或弹性部件，所述流量阀阀芯(9)上下运动时所述膜片轴承(10)能够发生形变。

2.根据权利要求1所述的气体燃料发动机用连续流量阀，其特征在于，还包括执行器盖(12)，所述执行器盖(12)与所述执行器磁轭(1)顶部之间密封连接。

3.根据权利要求1所述的气体燃料发动机用连续流量阀，其特征在于，所述执行器磁轭(1)与阀体(11)之间密封连接。

4.根据权利要求1所述的气体燃料发动机用连续流量阀，其特征在于，所述流量阀阀芯(9)的顶部与膜片轴承(10)通过螺栓固定连接。

5.根据权利要求1所述的气体燃料发动机用连续流量阀，其特征在于，气体燃料出口与流量阀阀芯(9)下末端的外表面形成文丘里式喷管结构。

6.根据权利要求1所述的气体燃料发动机用连续流量阀，其特征在于，所述膜片轴承(10)能够沿轴向发生形变，其外形为薄圆片状，其内侧开设有三个中心对称的、弧形的气流通道，外侧开设有六个圆弧形的气流通道。

7.根据权利要求1-6任一项所述的气体燃料发动机用连续流量阀的控制方法，其特征在于，通过气体燃料入口向燃料室(6)内通入气体燃料，通过发动机气体燃料目标质量流量信号和燃料室(6)内的燃料室压力传感器(5)的压力信号p，查询预先经过实验标定的气体燃料流量特性曲线获取目标位置x*，通过功率变换器向执行器线圈绕组(3)通电流i，流量阀阀芯(9)开始运动，通过比较位置检测磁环(7)和位置检测磁阻芯片阵列(8)组成的磁阻式位移传感器反馈的流量阀阀芯(9)实际位置x与目标位置x*之间的差异，位置控制器采用位置式PID控制算法计算出目标电流i*，通过比较电流传感器反馈的执行器线圈绕组(3)的实际电流i与目标电流之i*间的差异，电流控制器采用增量式PID控制算法使PWM发生器产生所需PWM信号驱动功率变换器，通过功率变换器向执行器线圈绕组(3)通电流。

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