KR102247429B1 - 큰 동적 출력 범위들을 위한 고 정도 연속류 기화 연료 공급장치 - Google Patents

Abstract

큰 동적 출력 범위에 걸쳐 내연 기관에의 기체 연료의 연속류에 대한 정밀하고 정밀한 연료 공급 제어 방법들 및 장치들로서, 보이스 코일 구동식 전자 압력 조정기의 형상으로 된 제1 스테이지, 및 보이스 코일 구동식 쵸크 유량 밸브의 형상으로 된 제2 스테이지를 포함하고 최적의 제어를 허용하는 듀얼 스테이지 밸브를 포함하고; 두 스테이지 사이의 연료의 압력을 모니터링하고 압력 액츄에이터 루프를 통해 제1 스테이지에 대한 적절한 조정을 행하는 것; 단일 블록 조립체를 통해 제2 스테이지 내로 기체 연료를 이송하는 것; 공기/연료 혼합물의 압력을 모니터링하고 밸브 액츄에이터 루프를 통해 제2 스테이지에 대한 적절한 조정을 행하는 것을 포함한다.

Description

큰 동적 출력 범위들을 위한 고 정도 연속류 기화 연료 공급장치{HIGHLY ACCURATE CONTINUOUS-FLOW VAPORIZED FUEL SUPPLY FOR LARGE DYNAMIC POWER RANGES}

본 출원은 (ⅰ)“높은 턴·다운비(turndown ratio)를 갖는 연속 기체상 연료 공급장치”라는 제목의 2012년 6월 19일자 출원된 미국 가출원번호 제61/661,775호와,(ⅱ)“높은 턴·다운비를 갖는 연속 기체상 연료 공급장치”라는 제목의 2013년 4월 5일자 출원된 미국 가출원번호 제61/808,910호의 출원일들의 이점을 주장하며, 상기 출원들의 전체 개시들은 여기서 본 개시에 언급하는 것에 의해 통합된다.

본 발명은 주로 불꽃 점화식 내연 기관들용 연속류 기체상 연료 공급물을 위한 밸브들을 제어하는 것에 관한 것이다. 보다 특히, 본 발명은 연속류 연료 공급 밸브들을 포함하며, 특히 대규모 출력 범위들에 걸쳐서 불꽃 점화식 내연 기관들의 엔진 제어 모듈/장치(ECM) 요구들에 반응하여, 순간적으로 정확한 유량의 기화 연료들을 공급하는 시스템에 관한 것이다.

연속류 불꽃 점화식 내연 기관에 있어서, 1980년도의 ECM의 발전은 효율 및 성능을 최적화하고 배출물을 최소화하기 위한 능력을 크게 개선하였다. 많은 센서들과 입력장치들을 계속적으로 모니터링함으로써, ECM의 발전은 임의의 주어진 순간에 엔진에 필요한 가장 이상적인 연료 유량을 결정하기 위하여 성능 조건들에 불리한 현재의 조작자 명령들을 조절할 수 있다.

그러나, 최적의 유량을 알고 그것을 전달하는 것은 2개의 서로 매우 다른 것들이다. 현대의 ECM들이 주어진 순간의 최적의 것을 알 수 있더라도, 종래 기술의 연료 공급수단들은 그들의 전체 작동 범위에 걸쳐서 최적 유량 요구에 따라 즉각적으로 일관되게 전달할 수 없다. 가장 최선의 이용가능한 제어들은 1% 설정값 정확도를 제공한다라고 주장하며, 이것은 상기 이용가능한 제어들이 원하는 유량의 약 1% 내에서 실제 연료 공급 유량을 전달한다고 주장한다는 것을 의미한다. 약 1% 설정값 정확도를 가지고 연속류 기체상 연료 유량을 지속적으로 전달하는 능력은 매우 정밀하고 가장 알맞은 것으로 여겨지지만, 그 취지의 주장들은 전체의 단지 일부에 지나지 않는 경향이 있다.

종래 기술에 따르면, 높은 설정값 정확도들은 제한된 작동 범위 내에서만 얻어지는 경향이 있으며, 이것은 주장된 정밀도들이 특히 큰 동적 출력 범위들(large dynamic power ranges)을 갖는 엔진에 대해서 일반적으로 신뢰할 수 없음을 의미한다.(엔진의 “동적 출력 범위(dynamic power range)”는 엔진이 지정된 대로 작동하게 될 최대 출력 대 최소 출력의 비이며, 이것은 관련 연료 공급 시스템의 유효 턴·다운비에 따라 크게 좌우된다.) 예를 들면 연료 공급 시스템의 작동 범위의 상단에서 25그램/초를 전달하는 연료 공급에 대해, 일 퍼센트는 1/4 그램/초(0.25 g/s)일 것이다. 최선의 이용가능한 밸브들 중 하나를 1/4 그램/초 오류에 대하여 보정하는 것은 중간 유량들에 대해서는 처리하고 있음에 반해, 동일한 연료 공급은 때때로 연료 공급 작동 범위의 반대편에서 약 1/4 그램/초로 또한 아이들 상태에 있을 필요가 있는데, 동일한 1/4 그램/초 오류는 아이들 근처(near-idle)의 유량들에 대해 매우 부정확할 것이다. 정확한 제어는 때때로 낮은 유량들에서 달성하기가 쉬운 것으로 여겨지지만, 1/4 그램/초 아이들 유량에서의 1% 설정값 정확도는 ±0.0025g/s 내로 정확도를 요구할 것이다. 따라서, 종래 기술의 기체 유량 밸브들은 전체 작동 범위 중 지정된 부분들에서(종종 200KPa에서) 매우 정밀한 유량들을 전달한다고 주장하지만, 작동 범위의 양 끝단 및 그 사이의 모든 것에 대하여, 특히 실제 작동의 이러한 큰 범위들에 대하여 동등하게 달성하는 것은 오랫동안 이루어지지 못했다.

너무 많은 실제 변수들의 복잡한 상호작용은 연속류 연료 공급수단들에 대하여 일관되게 높은 전 범위의 설정값 정확도들을 방해한다. 마모 및 찢김(tear), 누설(leaks), 지체시간(lag times), 결함(glitches), 막힘(clogs), 소음(noise), 인공물(artifacts), 및 일반적인 변동성이 모두 실제로 일어나는 경향이 있다. 외부 온도 및 기체상 연료 혼합물의 넓은 변동성은 또한 도전들을 악화시킨다.

또한, 연료 공급의 유량 제어 밸브 자체 내에 완벽이 이루어질 수 있더라도, 유량 정확도들은 또한 상류 및 하류 압력 변동에 의해 방해받을 수 있다. 기체 연료들은 압축가능하기 때문에, 연소에 관련된 하류 압력 변동 또는 밸브 및 피스톤 동작들은 상당한 크기의 유량 변동들을 발생시키는 압력파를 초래할 수 있다. 하류 압력 변동들은 특히 기화된 액체 연료들(예, 프로판, LNG 또는 LPG)의 유량을 제어할 때 동일하게 문제가 있을 수 있다

기화된 액체들에 있어서의 제어 상의 어려움들은 작동 과정 중에 탱크 압력들의 급격한 변화에 의해 주로 발생한다. 예를 들면, LNG 연료 탱크가 중간 풀(medium full)인 경우, 공급 압력은 일반적으로 충분히 관리가능한 상태에 있게 된다. 그러나, 제어상의 도전들은, 순간 증기 내압 강도의 부족 때문에 탱크가 가득찰 때 증가하고, 또한 액체 연료의 양이 시간에 따라 증발되기 때문에 탱크가 거의 비어있을 때 증가한다. 증발된 액체 연료들을 제어하는 것은 만일 기화가 소스(source)에서 보다 덜 완전하다면, 보다 더 도전적인 것이다. 임의의 잔여 액상이, 열교환기들이 막혔을 때 아주 자주 발생하는 것처럼, 증발기를 통과한 후에 남아있을 경우, 급격한 압력 상승들(pressure spikes)이 유량 제어 밸브 내에서 또는 가장 신뢰할 수 있는 제어 시스템들을 방해할 수 있는 다른 지점들에서 발생할 수 있다.

결과적으로, 종래의 가스 유량 밸브들은 큰 동적 출력 범위들에 대한 최적의 출력 및 배출량을 보장할 수 있을 정도로 정밀한 유량 설정값 정확도를 지속적으로 달성하지 못한다. 즉, 제어들 중 최상일지라도 일반적으로 단지 약 15:1 또는 어쩌면 20:1 동적 출력 범위에 걸쳐서 1% 유량 설정값 정확도들을 지속적으로 달성 및 연속적으로 유지할 수 없다. 다른 것을 요구할 수도 있음을 청구하는데도 불구하고, 실제로 큰 동적 출력 범위들을 위한 대부분의 현존밸브들은 일반적으로 그것들의 지정된 작동 범위 중 상당한 부분들에 걸쳐 단지 "대략적인(ballpark)"정확도(즉, 3%와 10% 사이의 설정값 정확도)를 가진다. 밸브들은 그것들의 작동 범위 중 특정의 쉬운 부분들에서 그것들의 지정된 정확도를 발생시키지만, 이러한 정확도들은 그 작동 영역의 중간 절반 또는 상부 절반으로 통상 제한되고, 그렇지 않으면 예상되었을 이상적인 수준들에 훨씬 못미치는 전체 연료 사용 및 배출 수준들을 제공한다.

따라서, 큰 동적 출력 범위에 걸쳐서, 특히 불꽃 점화식 엔진들의 기화된 자연 기체 연료 시스템들의 분야에서, 높은 정확도로 지속적이고 순간적으로 ECM에 의해 요구되는 질량 유량들(ECM-demanded mass flowrates)을 전달할 수 있는 이용가능한 연속류 밸브에 대한 필요가 오랫동안 있어 왔다.

본 명세서에 개시된 발명의 사려깊은 사용 및 실시형태들은, 특히 종래기술의 포괄적인 이해를 전제로 하여 아래에 설명된 추가의 설명들을 감안하여 고려할 때, 위에서 참조된 및 다른 많은 미충족 어려움들, 문제들, 장애물들, 제한들, 및 도전들(challenges)을 해결할 것이라는 것이 본 기술분야의 숙련된 사람들에게 명백하게 될 것이다.

본 발명은 불꽃 점화식 내연 기관들에 대한 고속 작동하는 고 정밀의 기체 연료 유량 제어를 가능케함으로써 하기의 목적을 달성한다. 우리의 목적들은 최상류, 하류 및 심지어 중류 압력 변동에도 불구하고 큰 동적 출력 범위들에 걸쳐 극도의 정확도를 지속적으로 유지하면서 엔진의 ECM으로부터의 순간 요구 신호들에 응답하여 이러한 유량 제어를 가능하게 하는 것을 포함한다.

제한없이, 본 발명의 대부분의 설명들은 지속적으로 매우 정확환 유량 설정값 정확도에 대한 기체 연료의 조절된 흐름(choked flow)을 달성하도록 작동가능한 듀얼 스테이지 유량 밸브와 관련이 있다. 본 발명의 다른 설명들은 큰 동적 출력 범위들에 걸쳐 작동하는 불꽃 점화식 내연 기관 엔진의 순간 요구들을 만족시키기 위해 연료 공급수단 내에 이러한 밸브를 통합한다. 이러한 밸브의 제1 스테이지는 전형적으로 전자 압력 조절기(또는 그 균등물)을 포함하고, 제2 스테이지는 가변적인 조절된 유량 밸브(또는 그 균등물)을 포함하며, 그리고 이 두 스테이지들은 상기 두 스테이지들에서 또는 그것들의 부근에서 감지된 유체 조건들에 기초하여 밸브의 제어를 조정하는 탑재 마이크로컨트롤러와 함께 공통 블록 어셈블리(common block assembly)내에 병렬로 배치된다. 유체 조건 센서들은 그것이 제1 스테이지와 제2 스테이지 사이의 유체 통로에 있기 때문에 “중간(interstage)” 챔버로 지칭될 수 있는 챔버, 공간 등과 유체 연통되게 잘 배치되어 있다. 추가적인 최적화를 위해, 인-블록(in-block)마이크로컨트롤러 및 관련된 제어 회로는 두 스테이지들 사이의 중간 챔버와 연통하는 변환기들을 포함하는 단일 인쇄회로기판에서 구현된다. 마이크로컨트롤러는 엔진의 ECM에 대한 전력 및 데이터 연결 이외에는 어떠한 외부 통신도 없이, 근본적으로 CFV의 양 스테이지들의 제어를 서로 의존하여 연통시킨다.

도면들에 도시된 제1 실시예에서, 제1 스테이지는 4:1의 턴·다운비를 갖고, 제2 스테이지는 50:1의 턴·다운비를 가지며, 따라서 200:1의 CFV 연료 시스템에 대한 기능 출력 범위(functioning power range)를 가져온다. 다른 덜 바람직한 턴·다운비들은 (1.5:1의 하나의 대안적인 제1 스테이지, 및 4:1의 대안적인 제2 스테이지를 갖는) 대안적인 실시형태들의 범위 내에서 달성될 수 있지만, 바람직한 대안의 실시형태들은 작동의 범위의 양 끝단들에 및 작동 범위 전체에 걸쳐 매우 정밀한 유량 제어 (그리고, 그에 따라 출력 및 배출 제어)를 유지하면서 적어도 50:1의 전체 턴·다운비를 달성한다. 즉, 목표 유량들로부터 일관되게 약 1% 또는 그 이하의 편차가 있는 실제 유량들을 달성한다.

본 발명의 이들 및 다른 양태들은 또한 최적 효율 및 배출 제어로부터 경제성, 신뢰성, 내구성, 범용성, 및 제조, 사용 및 유지보수의 용이성에 이르기까지 다수의 2차 장점들을 가능하게 한다.

가능한 실시예는 향상된 기계들, 내연 기관들, 기체 연료 제어 시스템들 등의 다수의 다른 조합들 및 다수의 서로 다른 종류들을 나타낼 수 있다. 다른 가능한 실시예들은 이러한 기계들, 엔진들, 시스템들 등을 작동하고 최적화하기 위한 방법과, 또한 다른 형태의 방법들을 나타낸다. 본 발명의 모든 다양한 다각적 양태들 및 그 양태들의 모든 다양한 조합들, 대체들 및 변형들을 올바르게 고려되면 각각 개별적 발명으로서 고려될 수 있다.

본 발명의 결과로 생기는 조합들은 보다 다양하고 신뢰할 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 간단한 시스템을 사용하여 종래에 얻었던 것보다 더 큰 동적 출력 범위에 걸친 급변하는 조건들에도 불구하고, 더 높은 정확도를 달성할 수 있다. 다양한 실시예들은 신뢰성, 제조능력, 비용, 효율, 사용 편의성, 보수의 용이성, 적응성의 용이성 등을 포함하여 최적화함으로써 관련 기술을 개선한다. 아래에 언급된 실시예들은 완전한 사항에 아주 약간 가까이에 있는 것도 제공하지 않지만, 본 명세서는 본 발명의 많은 기본요소들을 달성한다고 생각되는 선택적인 실시예들을 설명한다.

본 발명의 많은 교시에 따라, 듀얼 스테이지 제어 밸브는 다수의 어플리케이션들의 동력 요구에 쉽게 적응할 수 있고 또한 내연 기관들의 매우 큰 동적 출력 범위들에 걸쳐 연료 유량들을 제어하기 위한 매우 정밀한 설정값 정확도를 쉽게 달성할 수 있는 형태로 제공된다. 이러한 유량 제어 밸브들 및 관련된 연료 시스템들은 실질적으로 종래의 개념들 및 종래 기술의 구조들로부터 벗어나 있고, 그리고 그렇게 하면서 임의의 종래기술의 단독으로 또는 그들의 임의의 자명한 조합에 의해서는 예상되거나, 자명하다고 여겨지거나, 시사되거나 또는 심지어 암시되지 않은 많은 장점들 및 신규한 특징들을 제공한다.

모두 포괄하여, 본 발명의 많은 다른 양태들, 목적들, 특징들 및 장점들은, 종래 기술에 비추어 이하의 설명들 및 첨부 도면들의 사려깊고 또한 종합적인 검토로부터 이 기술분야의 당업자들에 명백할 것이다. 따라서, 이러한 양태들, 목적들, 특징들 및 장점들은 또한 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 것으로 의도된다. 그러나, 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내는 상세한 설명 및 구체적인 예들은 단지 예시적으로 주어지는 반면, 이후에 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 확장, 변경 및 변형들이 이 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백하게 될 것이라는 것이 이해되어야 한다.

실제로, 본 발명은 그것의 청구항들이 시간에 따라서 보정, 분할, 상세화, 개정, 대체, 보충 등이 될 수 있으므로, 결국 이 명세서 또는 이 명세서에 우선권 주장하는 명세서들에 첨부될 수 있는 하나 이상의 특허 청구항들 또는 청구항들의 그룹들과 관련하여 정의될 것이다. 본 발명의 대응하는 범위가 이러한 청구범위에 종속되지만, 마치 그 특정 범위가 이미 이 명세서 작성 시점에 완전히 이해되는 것처럼, 이들 설명들은 때때로 편의상 "발명" 또는“본 발명”에 대하여 언급한다. 실제로, 복수의 독립적인 및 별개의 발명들은 이 명세서에 기초하여 적절히 주장될 수 있으므로, "발명"에 대한 이러한 참조는 대응하는 특허청구범위의 최종 형태에 의해 정의되는 것에 대한 유동적인 참조이다. 따라서, 이들 설명이 최종 특허청구범위에 의해 별도로 요구되지 않는 본 발명의 양태들을 언급하는 한에서는, 이러한 언급들이 본 발명의 그러한 변형을 한정하거나 설명하는 것으로 간주되어서는 안된다.

본 발명은, 따라서, 그것의 응용에서 구성의 세부사항들 및 다음의 설명들에 기재되거나 도면들에 도시된 부품들의 배열에 한정되지 않는다. 대신에, 도면들은 단지 예시적이며, 도시되거나 설명된, 특히 임의의 “바람직한” 것으로 기술된 임의의 구체사항에 대하여 변형이 이루어질 수 있다. 이러한 변경들은 여전히 본 발명의 사상 내에서 구현될 수 있다. 또한, 여기에 사용된 용어 및 어구는 설명하기 위한 것이며 제한 요소로서 간주되지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명을 설명하는 기타 용어 및 전문 용어와 실시예들 및 그들의 기능은 본 발명의 사상 내에 있는 것으로 고려될 것이다.

본 발명은 많은 기타 실시예들을 사용할 수 있으며 많은 기타 방식들로 실시 및 수행될 수 있다. 본 발명의 사상 내에 여전히 포함될 많은 다른 대안적인 실시예들이 도시되거나 기재되지 않는 것이 또한 이해되어야 하며, 본 발명은 이 출원에서 또는 이 출원에 우선권을 미래에 주장할 수 있는 이 또는 임의의 기타 특허출원에서 최초의, 추가, 또는 보정될 수 있는 청구항들의 범위에 의해서만 한정될 것이다.

본 발명에 따르면 불꽃 점화식 내연 기관들에 대한 고속 작동하는 고 정밀의 기체 연료 유량 제어를 가능케함으로써 최상류, 하류 및 심지어 중류 압력 변동에도 불구하고 큰 동적 출력 범위들에 걸쳐 극도의 정확도를 지속적으로 유지하면서 엔진의 ECM으로부터의 순간 요구 신호들에 응답하여 유량 제어가 가능하게 된다.

본 발명의 다양한 특징들 및 장점들은 이제 특정의 바람직한 및 대안적인 실시예들의 도면들을 참조하여 설명될 것이고, 이 실시예들은 도시를 목적으로 하는 것이고 발명을 한정하기 위한 것은 아니며, 여기서 동일한 참조 번호들은 동일한 요소들을 지칭할 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 교시들에 따른 내연 기관(270)에의 기체 연료 공급의 매우 정밀한 제어를 제공하기 위해 내연 기관(270)과 작동가능하게 통합된, 듀얼 스테이지 연속류 밸브(CFV;10)를 구비한 기체 연료 공급 시스템의 바람직한 실시예를 도시한 블록선도이다.
도 2는 단일 블록 조립체(90)의 바람직한 CFV(10)의 사시도이다.
도 3은 도 2의 단면 3-3을 통과하여 중심으로 절단된 도 2의 CFV(10)의 바람직한 단일 블록 조립체(90)의 단면도이다.
도 4a는 단일 블록 조립체(90)를 형성하기 위해 통합하는 3개의 블록 조립체들(90a,90b 및 90c)를 보여주기 위해 분해한, 도 2 및 도 3의 CFV(10)의 바람직한 단일 블록 조립체(90)의 부분 분해 사시도이다.
도 4b는 바람직한 단일 블록 조립체(90)및 그의 하부 블록들(90a,90b 및 90c)의 대안적인 실시예의 분해도를 도시한다.
도 5는 도 3과 동일한 도면이지만 블록 조립체(90a)를 형성하는 부분들만을 나타내는, CFV(10)의 제1 스테이지(20)의 확대 단면도이다.
도 6은 일부 바람직한 실시예들에 따른, CFV(10)의 제1 스테이지(20)에 있어서의 제어 전략들을 도시하는 블록선도이다.
도 7은 도 3과 동일한 도면이지만 블록 조립체(90b)를 형성하는 부분들만을 나타내는, CFV(10)의 제2 스테이지(30)의 확대 단면도이다.
도 8은 일부 바람직한 실시예들에 따른 CFV(10)의 제2 스테이지(30)에 있어서의 제어 전략들을 도시하는 블록선도이다.
도 9는 특히 엔진(270)의 300 마력 변형체에 사용하도록 구성될 경우, CFV(10)의 작동 특성들을 표현하는 흐름 곡선을 도시하는 그래프이다.
도 10a, 10b 및 10c는 중앙 밸브 부재(125)의 실시예에 관한 3개의 직교도들, 구체적으로 측면도, 평면도, 및 정면도(end-on view)를 도시한다.
도 10d는 오리피스(135)에 관하여 작동 방향들을 보여주는, 중앙밸브 부재(125)의 흐름면(1100)의 상세도이다.

다음의 예들은 실제로 발명을 실시하기 위한 바람직한 실시예들 뿐만 아니라, 그것들이 이 명세서의 작성 시점에 특별히 이해에 도움이 되는 범위내에서 특정의 바람직한 대안적인 실시예들을 예시하기 위해 기재된다. 바람직한 및 대안적인 실시예들의 이러한 다양한 설명을 이해하는 과정에서, 당업자는 본 발명 뿐만 아니라 본 발명 및 이들 발명의 실시예들을 만들고 사용하기 위한 다양한 방법들 중 일부도 더 잘 이해할 수 있을 것이다 .

단어 표현 규칙

이들 설명의 목적을 위해, 일부 표현 단순화는 명세서 또는 임의의 청구항들의 특정 명세서에서 달리 명확하게 된 범위를 제외하고는 보편적으로 이해되어야 한다. 본 발명에 기초가 될 수 있는 설명들을 이해하기 위해, 용어 “또는(or)”의 사용은 단지 대안을 지칭하는 것으로 명백히 나타내지 않는 한, 또는 그 대안이 본질적으로 상호 배타적이지 않는 한 "및/또는(and/or)"을 의미하는 것으로 추정되어야 한다. 값들을 지칭할 때, 용어 "약(about)" 은 근사값을 나타내는데 사용될 수 있으며, 일반적으로 개시되어 있거나 또는 이러한 값을 결정 또는 달성하는데 관용적으로 사용되는 임의의 특정 실시예들에 대한 오차의 표준 편차를 포함하는 근사값을 나타내는데 사용될 수 있다. “a” 또는 “an”과 같은 관사와 함께 종종 도입된 요소에 대한 지칭은 명백히 달리 지시되지 않는 한 하나 이상의 의미일 수 있다. 이러한 "하나 이상의(one or more)"의 의미는 "갖는", “구비하는” 또는 “포함하는”과 같은 개방형 단어들와 함께 언급될 때 가장 특별하게 의도된다. 마찬가지로, "또 하나의(another)"는 적어도 두 번째 또는 그 이상을 의미할 수 있다. 기타 단어들 또는 문구들은 여기 또는 첨부된 배경기술 또는 요약 설명들에서 정의된 의미들을 가질 수 있으며, 그 정의된 의미들은 명세서이 달리 제시하지 않는 한 적용되는 것으로 추정되어야 한다.

이들 설명은 때때로, 설명된 대안들이 여전히 단지 선택적인 예들이고 이 명세서 작성 시점에 알려질 수 있는 가능한 대안들의 배타적인 식별을 표현하도록 의도되지 않더라도, 본 발명이 임의의 특정 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 강화하기 위해 여러가지 가능한 대안들에 대한 통찰력(perspective)을 지적하고 평가하는 능력을 제공한다. 설명들은 때때로 심지어 "가장(most)" 또는 “더(more)” 바람직한 등과 같은 특정의 대안들에 대한 선호의 수준을 평가할 수 있지만, 반박할 여지없이 최후로 청구된 발명이 그와 동일하게 요구하지 않는 한, 이러한 순위가 붙여진 평가하는 능력에는 거의 중요성이 부여되지 않는다. 실제로, 전체 발명의 명세서에서, 바람직한 실시예들 또는 임의의 언급된 대안들은 제한하는 것으로 간주되지 않아야 하고, 본 최종 특허청구범위가 추가의 균등물들에 대한 어떤 가능성이 없이, 대응하는 제한들을 명백하게 요구하지 않는 한 특정 요소들 중 많은 요소들이 미국 균등론(U.S. Doctrine of Equivalents) 또는 기타 동등한 법리(legal principles) 하에서 침해에 필수적이지 않을 수 있다는 것을 인식한다. 그렇다 해도, 본 발명이 청구 대상과의 모든 가능한 균등물들을 커버하도록 추정하여야 하지만, 그럼에도 불구하고 하나 이상의 특정 청구항들은 절차 중에 명시적인 포기에 의해, 또는 종래기술에 비추어 특정 청구항들의 유효성을 보존하기 위해 요구되는 한정에 의해 표시되는 바와 같이, 모든 기술된 대안들을 커버하지 않을 수도 있음을 인지하여야 한다.

명세서 작성일 현재, 이러한 예들을 특징으로 하는 구조적 및 기능적인 조합들은 본 발명을 실시하는 유효한 바람직한 형태들을 표현하는 것으로 간주된다. 그러나, 본 개시에 비추어, 당업자는 이들 설명에서 임의의 갭들(gaps), 잘못된 기재 또는 단순화를 채우고 보정하거나 또는 달리 이해할 수 있어야 한다.

설명상의 참고를 위해, 발명자들은 연료 유량 설정값 정확도가 전체 작동 범위에 걸쳐서 요구 유량의 5% 내에 일관되게 있는 경우 ˝일반적으로 정밀한(generally accurate)˝인 것으로서, 연료 유량 설정값 정확도를 분류한다. 전 범위에 걸쳐 일관되게 요구 유량의 3% 이내일 때, 설정값 정확도는 ˝고도로 정밀한(highly accurate)˝으로 분류될 수 있다. 극단적으로, 설정값 정확도가 전체 작동 범위에 걸쳐 일관되게 요구 유량의 약 1% 이내일 때, 그것은 “매우 정밀한(extremely accurate)˝ 으로 분류될 수 있다.

작동 범위와 관련하여, 당업자들에 의해 달리 이해되지 않는 범위 내에서, 큰(large)˝은 12:1 보다 큰 동적 출력 범위에 해당하는 범위를 의미할 수 있다. ˝매우 큰(Very large)˝은 약 50:1 또는 그 이상의 동적 출력 범위에 해당하는 것을 의미하고, "극도로 큰(extremely large)" 은 100:1 또는 그 이상의 동적 출력 범위들에 해당한다.

임의의 밸브 또는 밸브 액츄에이터와 관련하여, ˝고속 작동하는(fast-acting)˝은 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 용어이고, 그리고 일반적으로 그것이 대부분의 밸브 또는 밸브 액츄에이터보다 상당히 고속으로(faster) 또는 급속으로(quick) 작동하거나 반응하도록 설계된다는 것을 의미하는 것으로 추정되어야 한다. 더 제한된 정의는 절차 중에 명백히 포기된 범위 내에서 또는 종래기술에 비추어 특정 청구항들의 유효성을 보존하기 위해 필요한 범위 내에서 표현(phrase)에 적용될 수 있다. 추정된 더 넓은 의미에도 불구하고, 이들 설명에서 언급되는 고속으로 작동하는 액츄에이터들은 바람직하게는 작동 밸브 요소를 그것의 전체 모션 범위를 통해 초당 10배 보다 고속으로(즉, 5 Hz 보다 고속으로) 움직이도록 작동할 수 있다. 또 하나의 관점에서, 이들 설명에 언급된 고속으로 작동하는 액츄에이터들은 바람직하게는, 작동 밸브 요소를 그 작동가능한 범위의 모두는 아니지만 그것의 작동가능한 모션 범위의 대부분 (특히, 스트로크의 20%∼80%)에 걸쳐서 50 밀리 초(milliseconds) 이하로 움직이도록 작동할 수 있다. 또 하나의 관점에서, 바람직하게는 이들 설명에서 언급된 고속으로 작동하는 액츄에이터들은 고작 3 dB 감쇄로, 10 Hz 대역폭 또는 그보다 더 고속 작동한다. 이상적인 반응성에 대하여, 특히 고속 작동하는 특성들을 필요로 하는데 명백히 부인되지 않는 범위 내에서 특히 특정 청구항 요소들이 많은 다른 유형의 액츄에이터들이 여전히 대안으로서 적합할 것 같더라도, 가장 바람직한 실시예는 특질상 5 Hz보다 더 고속으로 작동하는 보이스 코일 액츄에이터들(voice coil actuators)을 사용한다.

연료에 대하여, 용어 ˝유체(fluid)˝는, 액체 연료 실시예들은 바람직하게는 흐름이 중앙 CFV(10)에 도달하기 전에 연료의 액상을 기화하도록 구성되지만, 여기서는 액체 또는 가스를 의미하는 것으로 사용된다. 연속류 연료 유량 제어와 관련하여, ˝연속적인 유체 경로(continuous fluid passage)˝는, 연료 유량을 제어하는 그것의 통상 작동 모드 동안에는 완전히 닫힌 밸브, 피스톤, 정변위 펌프(positive displacement pumps) 등에 의해 중단되지 않는 튜브, 채널, 챔버, 배플, 매니폴드, 또는 임의의 기타 유체 통로로써 규정되든지 간에 임의의 종류의 유체 통로를 지칭하며, 따라서 가스 유체는, 이러한 흐름을 초래하도록 압력 변화가 있을 때마다 일반적으로 연속적인 유체 경로를 통해 지속적으로 흐를 수 있다. 그렇지만, 이 명세서에서의 연속적인 유체 경로는 개구부의 유효 면적을 제로(0)로 감소시킴으로써 제로 유량으로 조절될 수 있고, 반면에 그 경로는 여전히 이 명세서에서 연속적인 유체 경로로 간주될 것임이 인지되어야 한다.

또한, 달리 명백한 포기가 없는 경우, 등가 구조들은 유량을 제어하도록 작동되지 않을 때는 완전히 닫힐 수 있으며, 또 등가 구조들은 전체 흐름을 중단하지 않고 하나 이상이 차단될 수 있는 평행 또는 교호 통로들을 또한 가질 수 있다.

도 1 - 블록선도

도 1의 예시적인 블록선도에서, 바람직한 실시예들에 대해 도시된 연료 흐름의 3가지 주요 부분들이 있다: (1) 좌측에 도시된 상류 기체 연료 공급장치(350); (2) 중간에 점선 박스 내에 도시된 듀얼 스테이지 연속류 밸브(CFV;10); 및 (3) 우측에 더 작은 점선 박스로 도시된 엔진(270). 세 부분들(350, 10 및 270)은 본 발명의 다양한 교시들에 따라 임의의 수의 엔진 애플리케이션들에 대해 로터리 축 동력을 제공하기 위해 작동가능하게 연결되고, 연료 공급장치(350)는 엔진(270)에 대한 기본적인 기체 연료 공급수단으로서 역할을 하고, 그리고 CFV(10)는 연료 공급장치(350)로부터 엔진(270)까지의 기체 연료 유량의 정밀한 제어를 제공하기 위한 역할을 한다.

엔진(270)

엔진(270)은, 그것의 제1 에너지원으로서 기체 연료를 사용하는 형태의, 가장 바람직하게는 그것의 연료로서 천연가스(NG) 또는 기화된 프로판(LPG)을 사용하는 형태의 불꽃 점화식 내연 기관(270)이다. 종래와 마찬가지로, 엔진(270)은 엔진 제어 모듈(ECM; 100) 또는 그 동등물을 가지며, 이것은 엔진(270)의 다양한 부분들 및 그의 주변 시스템들의 작동 조건들을 계속해서 감시한다. 이러한 엔진(270)은 대안적인 실시예들의 임의의 수의 동력식 애플리케이션들 - 이들 중 일부는 버스들, 트럭들, 지게차들, 트랙터들, 배들 및 기타 차량들 또는 운반가능한 동력 시스템들에의 통합을 포함함 -, 그리고 불꽃 점화식 기체 연료 내연 기관들에 의해 구동되는 것으로 이 기술분야에 알려진 현재 또는 미래에 있을 수 있는 많은 기타 애플리케이션들에 작동가능하게 통합될 수 있다.

엔진(270)의 ECM(100)은 엔진(270)의 다수의 서브시스템들, 예를 들면 본 기술분야에서 공지된 기타 수단들 중 (바람직하게는 터보 차저 및 인터쿨러를 포함하는)공기 조절 시스템, 트로틀(240), 점화 시스템, 연소실(280), 냉각 시스템, 오일 압력, 및 배기 시스템에서 또는 그것들의 부근에서 압력, 온도 및 작동 상태들을 감시하기 위해 데이터 통신 라인(281-282)또는 기타 종래의 수단들을 통해 연결된다. 대안적인 실시예들은 ECM(100)과 엔진(270)의 다양한 서브시스템들 간에 데이터 연결들의 일부 또는 모두에 대해 무선 연결을 사용할 수 있지만, ECM(100)의 바람직한 실시예들은 와이어 하니스 또는 다른 형태의 통신 라인들(101,281,282,282a,282b,371 및 381)을 통해 아날로그 또는 디지털 신호들을 송출하고 수신하도록 연결된다. 다양한 구성요소들 사이에 직접 다양한 점선 통신 링크들에 의해 도 1에 도시되지만, 통신 라인들(101,281,282,282a,282b,371 및 381)은 바람직하게는 계측 제어기 통신망(controller-area-network; "CAN") 네트워크와 같은 종래의 데이터 네트워크의 형태로 구현된다.

당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, ECM(100)은 현재 사용자 요구사항에 대비한 엔진(270)의 현재 작동 조건에 기초하여, 임의의 주어진 시간의 순간에 원하는 연료 유량(“

” 또는 “mdot”; 105)을 결정하기 위해, 부분적으로 작동하도록 프로그래밍된다. 원하는

유량이 ECM(100)에 의해 결정되는 바와 같이, ECM은 엔진(270)에 대한 현재

유량 수요를 나타내는 대응

데이터 신호(105)를 생성한다. 본 발명의 교시들에 따르면, 엔진(270)의 바람직한 실시예들은 또한 엔진 마운트들(91-94)(도 2 내지 도 4a에 도시되고, 도 4b의 실시예에서 도면부호 91'-93'로 표기됨)과, 다른 유체 및 전기 연결수단들을 사용하여 종래의 방식으로 엔진(270)과 작동 연결되는 CFV(10)를 포함한다. 원하는

유량이 ECM(100)에 의해 결정되면, 대응

데이터 신호(105)는 통신 링크(101)에 의해 CFV(10)의 마이크로컨트롤러(320)에 전달되고, 그리고 CFV(10)는 작동에 의해 CFV 유출구(70)로부터 그것과 동일하게 순간적으로 및 정확하게 전달하는 역할을 한다.

CFV(10)에 의한 흐름 제어 후, CFV 유출구(70)로부터의 기체 연료의 제어된 흐름은 엔진(270)으로 향해지며 여기서 그것은 혼합기(261)에서 공기(260)와 바람직하게 혼합되어, 가연성 연료-공기 혼합물(250)을 생성하게 된다. 연료-공기 혼합기(261)는 바람직하게는 벤츄리형 혼합기, 또는 연료 흐름에서 가동 부품들을 사용하지 않음으로써 내구성과 실제로 연소실들(280)에 전달된 흐름 조건들의 연료/공기 혼합물의 균질성을 최대화하는 또 하나의 유형이다. 가장 바람직하게는, 연료-공기 혼합기(261)는 CFV(10)에 의해 제공된 정밀한

유량 제어의 이점을 유지하기 위해 연료 링(fuel ring)을 포함하는 형태를 취한다.

연료-공기 혼합기(261) 안으로 향하는 흡기 공기(260)는 비록 성능 타협(performance compromises)에도 불구하고 압력 보상기의 유무에 관계없이 대안의 실시예들에서 외기로부터 끌어들일 수 있다. 그러나, 더욱 바람직한 실시예는, 바람직하게는 연결된 인터쿨러와 함께 터보차저 시스템으로부터의 공기 흐름(260)을 사용한다. 공기 흐름(260)은 바람직하게는 CFV(10)에 의해 제공된 정밀한 유량 제어의 보존을 더 용이하게 하는, 바람직하게는 전자 트로틀인 트로틀(240)에 의해 제어된다.

적절한 연료-공기 혼합물(250)이 연료-공기 혼합기(261)에 의해 제공되면, 그 혼합물(250)은 다음에 ECM(100)으로부터의 밸브 제어 하에서 엔진(270)의 연소실들(280) 내로 작동가능하게 도입된다. 그리고 나서, 연소실들(280) 내에서, 공기/연료 혼합물(250)은 작업 연소를 일으키기 위해 작동가능하게 불꽃 점화된다.

멀티 스테이지 CFV(10)

점선(101)으로 도시된 통신 링크를 통해 엔진(270)의 ECM(100)에 연결된 듀얼 스테이지 CFV(10)는, 엔진(270)에의 연속류 연료 공급의 제어된 전달을 위해,

유량 신호(105)에 응답하여 그것의 유출구(70)에서의 실제

연료 유량의 신속하고 매우 정밀한 제어를 제공하도록 구성된다. 그 본질로부터, CFV(10)는 (도 1의 좌측에서의) 제1 연료 공급장치(350)로부터 (도 1의 우측에서의) 내연 기관(270)까지의 기체 연료 흐름을 제어하는데 사용된다. 따라서, CFV(10)는 연료 공급장치(350)의 하류에 그리고 엔진(270)의 상류에 작동가능하게 위치되고, 따라서 그것은 엔진(270)의 작동 동안에 연속적인 유체 연통 연료 공급 시스템의 일부가 되도록 배관 연결되고 밀봉되며, CFV(10)는 연료 공급 장치(350) 및 엔진(270)의 중간에 있다.

추가된 배경으로서, 연속류 시스템에 있는 많은 연료 흐름 조절 밸브들은 활성 동작 전체에 걸쳐 통상 개구된 상태로 남아 있는 연속적인 유체 경로를 사용하는 반면에, 제어 밸브는 그것을 통과하는

유량에 영향을 미치기 위해 그 통로 내의 가변 개구의 유효 크기를 제어한다. 실제 유속은 또한 실제로 오리피스 크기에 따라 변하지만, 서로 다른

유량은 이론상으로 동일한 유속에 대하여 서로 다른 밸브들에 의해 달성될 수 있다. 이러한 밸브들을 위한 액츄에이터는 가변 개구의 유효 크기를 제어한다. 그 유효 크기가 임의의 하류의 구속과 관련하여 충분히 작을 때, 개구부를 통한 연료 흐름의 속도는 음속 또는 초음속이 되며, 그것은 ˝쵸크(choked)˝ 흐름으로 지칭된다.

본 발명의 바람직한 실시형태들은 또한 통과하는

유량을 제어하기 위해 적어도 하나의 개구부(136)의 크기를 제어하지만, 현재 바람직한 실시형태들은 멀티 스테이지 접근법으로부터 그렇게 하는데, 멀티 스테이지 접근법에서 적어도 두 스테이지들(20,30)은 이 단일 블록 조립체(90) 내에서 결합되고, 통상 내장형 마이크로컨트롤러(320)에 의해 상호 의존하여 연동된다. 복수의 스테이지들(20,30)은 순간

유량 수요들(105)에 정확하게 및 연속적으로 부합하는 실질적인

유량으로 개구부(136)를 통한 쵸크 흐름을 일관되게 달성하는 멀티 스테이지 CFV(10)를 제공하기 위해 마이크로컨트롤러(320)에 의해 바람직하게 연동된다. 큰 동적 출력 범위에 걸쳐 작동하는 엔진(270)의 성능을 가능하게 하기 위해, 바람직하게는 연료 제어 통로가 탑재 마이크로컨트롤러(320)를 갖는 인쇄회로기판(PCB;40)과 함께 공통 블록 조립체(90) 내에서 밀봉되도록 CFV(10)의 복수의 스테이지들(20,30)은 나란히 놓인다. 마이크로컨트롤러(320)가 또한 동일한 단일 블록 조립체(90) 내에 포함되며, 따라서 마이크로컨트롤러(320)는 ˝인-블록(inblock)˝ 마이크로컨트롤러(320)로 지칭된다. 따라서, CFV(10)는 단일 블록 조립체(90) 내에 작동가능하게 연결되는 적어도 3개의 기본 서브어셈블리들(20, 30 및 40)을 포함한다.

인-블록 마이크로컨트롤러(320)와 연동되는 빠르고 정밀한 제어에 의해, CFV(10)는 그의 목적하는 작동의 과정에서 원하는

유량(105)을 순간적으로 달성하도록 설비되고 제어된다. P₃ 입력 신호(520)와 같은 다른 데이터 입력들이 또한 바람직한 실시예에서 사용되지만, CFV(10)의 많은 실시예들은 원하는

유량을 나타내는 전자 데이터 신호(105) 이외에는 어떠한 외부 데이터 입력이 없이 빠르고 정밀한 유량 제어를 달성할 수 있으며, 이 원하는

유량은 아마 ECM(100)으로부터의 데이터 신호(105)로서, 인쇄회로기판(PCB; 40)의 CFV 마이크로컨트롤러(320)에 의해 항상 수신될 것이다.

실제로, CFV(10)의 바람직한 듀얼 스테이지 버전의 주 동작들은 도 1에서 도시된 블록 요소들에 의해 표현된다. 그것의 제1 스테이지(20)는 바람직하게는 압력 평형식 전자 압력 조정기이며, 이것은 제2 스테이지(30) 내로 흐르는 단간 압력(interstage pressure) P₂를 제어 및 조절하기 위해 제2 스테이지(30)의 상류에 위치된다. 제1 스테이지(20)로부터, 연료 흐름은 그래서 제2 스테이지(30)로 향해지고, 제2 스테이지는 바람직하게는 고정 오리피스(135)를 통한 쵸크 흐름을 제어하는 고속 작동 밸브(125)를 포함하며, 그리고 그 결과로 생긴 매우 정밀한 쵸크 연료 흐름이 연소를 위해 CFV 유출구(70)로부터 엔진(270)으로 전달된다. 다른 곳에 설명된 바와 같이, 정밀한 쵸크 흐름은 제2 스테이지(30) 내에서의 오리피스(135)의 개구부(136)의 유효 크기를 제어하여 이루어지고, 반면에 제2 스테이지 작동은 전 범위(full-range) 유량 설정값 정확도를, 바람직하게는 매우 정밀한 레벨로 최적화하기 위해, 제1 스테이지(20)의 전자 압력 조정기를 구비한 인-블록 마이크로컨트롤러(320)에 의해 상호 의존하여 조정된다.

상류 연료 공급장치(350)

도 1에 도시된 것과 같이, 연료 공급장치(350)는 바람직하게는 기계식 압력조정기(370) 및 셧-오프 게이트 밸브(shut-off gate valve; 380)와 같은 기타 종래의 구성요소들과 함께, 유체 연료를 위한 소스의 역할을 하는 연료 탱크(360)를 포함한다. 독립 제어가 다른 실시예들에서 이용될 수 있지만, 밸브(380)는 바람직하게는 ECM(100)에 의해 제어된다. 기체 연료 공급장치(350)는, CFV 유입구(390)에 연속류 기체 연료 공급을, 바람직하게는 CFV 유입구(390)에서 60∼85 psig 범위의 게이지 압력으로 전달하도록 설비되고 구성된다.

더욱 바람직하게는, 기체 연료 공급장치(350)는 연료 탱크(360)에 저장된 천연 가스 또는 프로판을 전달하는 천연 가스 또는 기화된 프로판 연료 공급장치이다. 도 1에 도시되지 않았지만, 연료 탱크(360)는 연료 탱크(360) 및 관련 라인들(365, 375 및 376) 내의 LNG(액화 천연 가스) 또는 프로판 증발과 그 결과로 발생한 압력을 관리하기 위해 증발 서브어셈블리 및 제어수단을 구비할 수 있다. LNG을 위한 이러한 증발 서브어셈블리 및 제어수단은 선순환 LNG의 온도를 부분적 또는 완전한 기화점까지 증가시키는 열 교환 루프를 통해 저장된 LNG의 일부를 선순환시킴으로써, 바람직하게는 탱크(360)를 대비시켜, 탱크(360) 내에 적절한 압력 헤드를 가진 증기상을 생성시킨다. 라인(365)은 바람직하게는 또한, 일단 기체 연료가 연료 공급장치(350)로부터 CFV(10)로 흐를 수 있게 될 때 LNG, LPG 또는 프로판의 완전한 기화를 추가로 보조하기 위해 연료 탱크(360)의 하류에 제2 열교환기를 포함한다.

기체 연료는 CFV(10) 내로 진입하기 전, 기계식 압력조정기(370), 하류 연료 차단 밸브(380), 및 라인 급속 연결 해제 어셈블리(미도시)를 통해, 라인(365)에 있는 열 교환기의 하류로 연속적으로 향하게 된다. 이 실시예에서, 탱크(360)로부터의 초기 압력이 바람직하게는 CFV(10)의 유입구(390)에 도달하기 전에 기계식 압력조정기(370)에 의해 조절되지만, 초기 연료 압력은 탱크(360)에 의해 공급된다. 기계식 압력조정기(370)는 탱크(360)로부터의 비교적 높은 압력을 다룰 수 있으며, 유효한 오리피스 크기를 변경하고 그로써 CFV 유입구(390)에서의 바람직한 범위(60∼85 psig) 내로 압력을 제어하기 위해 압력 평형 다이어프램을 사용하는 하나 이상의 종래의 압력 조정기를 포함한다. 임계적이지는 않지만, 기계식 압력조정기(370)는 바람직하게는 제어 링크(371)를 통해 ECM(100)에 상류 압력 데이터(즉, CFV 유입구(390)에서의 압력 ˝P₁˝과 동등한)를 제공하는 통합형 압력 센서를 포함한다. 조정기(370)와 통합된 압력 센서에 더하여 또는 상기 압력 센서의 대안으로서, 대안적인 실시예들은 또한 라인(376)에 독립된 압력 센서(377)를 포함할 수 있으며, 라인(376)은 CFV(10)로 진입하는 기체 연료의 실제 압력에 대한 보다 신뢰성있는 입력을 위해 CFV 유입구(390)에 유체적으로 인접되어 있다. 상류 압력 P₁을 알고 있는 이점에도 불구하고, CFV(10)는 비록 일부 제한들을 가질지라도 상류 압력 P₁의 값을 알지 못하는 상태에서 기능할 수 있다는 것을 인지하여야 한다.

모든 라인들(365, 375 및 376)은 연료 흐름이 그것들을 통과하도록 작동가능하게 밀봉되고 연결된다고 가정할 경우, 연료 공급장치(350)에서 CFV(10)으로의 연료 흐름은 기계적 차단 밸브(380)의 온/오프 작동에 의해 가능하거나 불가능하게 된다. 수동 밸브가 특정한 대안적인 실시예들에서 사용될 수 있지만, 밸브(380)는 도 1에서 점선 제어 링크(381)에 의해 도시된 바와 같이, ECM(100)에 의한 관리 제어를 통해, 바람직하게는 모터 또는 솔레노이드에 의해 작동된다. 차단 밸브(380)가 열릴 때, 기체 연료 흐름(flow)은 탱크(360)와 CFV 유입구(390) 사이의 작동 가능한 압력 구배에 의해 유발된다. 그러므로, 밸브(380)가 열린 상태에서는, 먼저 연료가 열교환기와 기계식 압력조정기(들)(370)를 통해 이동하고, 그리고 나서 연료는 밸브(380)를 통해 CFV 유입구(390) 내로 향하게 된다.

증발 서브어셈블리들과 제어수단에도 불구하고, 액상 LNG 또는 프로판의 액적(droplets)을 또한 함유하는 기화된 천연 가스 또는 프로판 연료의 통로에 대해 포텐셜(potential)이 존재하며, 그것은 예를 들어 열교환 유체용 포트 또는 도관이 막힐 경우 발생할 수 있다. 임의의 LNG 또는 프로판 액적이 기계식 압력조정기(들)(370)로부터의 연료 스트림 하류(fuel stream downstream)에 남아 있을 경우, 그들의 후속 증발은 CFV(10) 내로 급격한 압력상승을 초래할 수 있으며, 이러한 압력상승은 특정 조건들 하에서 CFV(10)의 제1 스테이지(20) 또는 기타 구성요소들을 억압할 수 있다. LNG 또는 프로판 액적의 열 교환기의 하류로의 있을 수 있는 도입을 보상하기 위해, 압력 제어 루프(loop)가 압력 조정기(들)(370)과 CFV(10) 내지 유입구(390) 사이의 중간 위치의 시스템 내로, 그리고 바람직하게는 열 교환기와 기계식 압력조정기(들)(370)의 하류에, 또 바람직하게는 임의의 상류 압력 P₁ 센서(377)의 상류에 삽입될 수 있다.

LNG 또는 프로판의 임의의 잘못된 액적이 CFV(10)에 들어간 경우에, 지연된 증발은 CFV(10)의 유입구(390)에서의 증가된 압력의 급증(spike)으로 이어질 공산이 크다. 이러한 압력 급증이 발생되면, 삽입된 압력 제어 루프는 바람직하게는 기계식 압력조정기(370)의 상류 측으로 역-환기(venting back)시킴으로써 압력 급증을 완화한다. 일부 대안적인 실시예들은 라인(376)에 있는 상류 압력 P₁ 센서(377)로부터의 신호의 사용을 통해 그러한 과압 리스크를 처리(address)한다. 이러한 대안들에서, 과압 조건이 P₁ 센서(377)에 의해 감지되는 범위 내에서, ECM(100)은 압력 급증을 해결하거나, 그렇지 않으면 그것을 보상하기 위해 다른 조정들을 하도록 구성된다. 다른 대안으로서, CFV(10)의 제어를 달리 전파하고 방해할 증발 급증을 전환하는 것을 돕기 위해 하나 이상의 과압 통기구 또는 바이패스 첵 밸브(bypass check valves)가 라인(375 및/또는 376)에 포함될 수 있다. 유사하게, 기계식 압력조정기의 상류에서의 연료 증발로 인한 압력 급증은 또한 대기로 배출되거나 및/또는 연료 공급장치(350)의 더 상류에서의 다른 봉쇄(containment)로 전환될 수 있다.

그러한 잘못된 압력 급증의 제어를 위한 다양한 측면의 전략을 제공함으로써, 즉 상술한 바와 같은 하나 이상의 통기구, 체크 밸브를 포함하고, 또한 라인(365)에 열 교환기를 도입함으로써, 바람직한 실시예들은 CFV 유입구(390)에 도입된 압력을 제어하고 조절하여 CFV(10)의 유량 제어에 부담을 주는 것을 줄이거나 방지하게 된다.

연료 탱크(360)는 대안적으로 종래의 압력 조정기 등과 함께. 고정 가스 관로, 압축 가스 실린더 또는 증발 제어수단을 구비한 다른 유형의 액화된 저장 탱크 등의 임의의 수많은 관용적으로 이용가능한 기체 연료 소스로 구현될 수 있다. 바람직하게는, 대부분의 이러한 대안들은 CFV 유입구(390)에 대한 바람직한 범위로 압력을 조절하는 고압 기계식 압력조정기(370)를 통해 연료를 CFV(10)에 공급하는 연료 저장 탱크(360)의 일부 형태를 여전히 포함한다.

또한, 연료는 고압력 기계식 압력조정기(370)로부터 연료 튜브 또는 공급 라인(375)을 통해 공급되고, 연료 튜브 또는 공급 라인은 도시된 바와 같이 바람직하게는 셧-오프 게이트 밸브(380)를 포함한다. 연료 공급 라인(376)은 셧-오프 게이트 밸브(380)의 하류에서 CFV 연료 유입구(390)를 통해 CFV(10)에 연결되고, 그 지점에서 연료는 바람직하게는 CFV(10)의 제1 스테이지(20) 내로 도입된다.

당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 공급 관로(375)는 또한 CFV(10) 내로 도입되기 전에 연료 공급 조건들을 모니터링하거나 및/또는 최적화하기 위해 연료 필터(미도시) 또는 기타 종래의 시스템들을 포함할 수 있다. 이러한 기타 시스템들은, 예를 들면, 작동 필요사항을 예측하기 위해 엔진 제어 모듈(100) 및/또는 CFV(10)의 PCB(40)에 연결된 연료 품질 센서를 포함할 수 있다. 연료 공급장치(350)는 또한 (단 하나보다 오히려) 여러 독립 압력조정기들(370)의 조합을 포함하거나, 또는 연료 저장 탱크(360)에 일체형인 추가의 압력 조정기들을 포함할 수 있다.

도시된 바와 같은 가장 바람직한 실시예를 다시 참조하면, 대형 연료 시스템은 듀얼 스테이지 CFV(10)를 갖춘 연료 공급장치(350)를 포함한다. 대형 연료 시스템의 하류에서, 내연 기관(270)에 기체 연료 공기 혼합물(250)을 공급하기 위하여 공급된 연료 흐름은 공기(260)와 혼합된다. 도 1의 배치가 바람직하지만, 본 발명의 일부 광범위한 교시들과 일치하는 대안적인 실시예들은 대응하는 조정들이 도입되는 어떤 지점에서의 공기 흐름 도입을 설명하기 위해 필요하다면 대응하는 시도 및 있을 수 있는 타협에도 불구하고, 대안적으로 CFV(10)의 상류에(대체 공기 혼합 흐름 화살표(260′)에 의해 제시된 바와 같이) 또는 어쩌면 심지어 CFV(10)의 한가운데로 필요한 공기의 일부 또는 전부를 연료에 대안적으로 주입할 수 있다.

바람직한 단일 CFV 블록 조립체(90)

도 2-4a를 참조하면, 단일 블록 조립체(90) 내부에 CFV(10)의 일체의 세 기본 서브어셈블리들(20,30 및 40)이 도시되어 있다. 단일 블록 조립체(90)는 3개의 알루미늄 서브 블록들(90a, 90b 및 90c)의 견고한 일체식(rigidly-integrated) 조합이며, 서브 블록들은 그 기본 서브어셈블리(20, 30 및 40)의 작동가능한 봉쇄를 위한 아주 소형 알루미늄 블록 요소들의 결합체들(unions)을 통합한다. 서브 블록(90a)은 일반적으로 제1 스테이지(20)를 포함하고; 서브 블록(90b)은 일반적으로 제2 스테이지(30)를 포함하며; 그리고 서브 블록(90c)은 일반적으로 PCB(40) 및 그의 인-블록 마이크로컨트롤러(320)를 포함한다.

도시된 바와 같이, 제1 스테이지(20)는 일반적으로 도 2-4a의 각각에서 제2 스테이지(30)보다 위에 위치되어 있다. 바람직하게는, 단일 블록(90)은 제1 스테이지(20)의 블록들(90a 및 90c) 및 PCB(40)를 각각 제2 스테이지(30)의 블록(90b)에 견고하게 장착하여 이루어진다. 도시된 견고한 장착들은 중간 챔버(300)로 지칭된 공통의 공간에 제1 스테이지 출구(400) 및 제2 스테이지 입구(460)가 위치되도록 한다. 중간 챔버(300)는 두 스테이지(20,30) 사이에 공통적으로 공유된 중간 공간이고, CFV(10)의 유체 경로에 씰링된 개방 공간을 제공한다. 따라서, 압력과 연료가 블록(90)으로부터 손실되지 않도록 밀폐 공간에 있다 하더라도, 제1 스테이지(20)로부터의 흐름은 제2 스테이지 입구(460)에 열려 있는 상태에서 전달된다.

이해되는 바와 같이, 중간 챔버(300)(도 2에 은선으로 개념적으로 도시됨)는 서브 블록들(90a,90b,90c) 사이의 씰링된 결합체에 의해 (적어도 일 부분에 있어서) 형성되고, 그 결합체는 결합된 단일 CFV 블록(90)을 생성한다. 단일 블록(90)을 형성하기 위해 일체로 결합됨에 더하여, 기본 서브어셈블리들(20, 30 및 40)을 둘러싸는 접촉 표면들은 CFV(10)를 통해 전달될 최대 작동 압력을 초과하는 내압들을 수용하기에 충분한 개스킷, 접착제, 씰들, 나사형성 볼트, O-링 등으로 기밀식으로 밀봉된다. 서브 블록들(90a, 90b, 90c) 사이의 상기 블록들 내부의 씰들 등이, 안전 계수로서 바람직하게는 100 psig 이상, 및 바람직하게는 최대 320 psig 이상의 밀폐부재(containment)로서 설계되지만, 최대 CFV 작동 압력은 바람직하게는 적어도 85 psig이다. 다른 씰링 기술들이 이 기술분야에 알려진 것처럼 사용될 수 있지만, 머신 스크류(machine screws)와 접착제 및/또는 실온경화(room temperature vulcanizing;RTV) 실리콘은 서브 블록들(90a-90c)의 다양한 접촉 표면들 사이에 적당한 밀봉을 달성하기 위해 가장 바람직하다.

도 2-4a를 참조하면, 예를 들어 나사 형성 볼트들(21-24)은 두 스테이지(20,30) 사이의 중간 챔버(300)을 밀봉하여 둘러싸고 또한 정의하기 위해, 그들 사이에 씰들을 가지고 제2 스테이지 블록(90b)에 제1 스테이지 블록(90a)을 결합시킨다. 마찬가지로, 볼트(41-44)는 PCB(40) 주위에 있는 공간과 그것의 구성요소들이 또한 봉쇄되도록 밀봉 방식으로 제2 스테이지 블록(90b)에 PCB 서브 블록(90c)을 결합하여, 압력이 와이어 또는 포트(342,343; 도 7에 번호 표기됨)와 같은 변환기 포트를 따라 챔버(300)로부터 PCB(40)로 누설되는 경우에 PCB(40) 주위로부터의 압력 누설을 방지하게 된다.

관련이 있는 폴리머 씰들은 도 2-4a에 분명하게 보여지지 않지만, 원주홈들(31 및 46)을 볼 수 있으며, 조립 중에 연속적인 탄성 씰들이 원주홈들 안에 삽입되고 압축된다. 이러한 씰들은 각각 챔버(300)에 그리고 PCB(40) 주위에 적당한 압력 봉쇄를 보장하는 역할을 한다. 비교를 위해, 비슷한 탄성 씰들(401 및 403)이 도 4b의 대안적인 실시예에 보여지며, 그것은 그 대안적인 실시예에서 유사 목적들을 위한 비슷한 원주형 홈들(31′및 46′)에 끼워 맞추어진다.

또한, 각각의 서브 블록들(90a, 90b 및 90c)은 차례로 더 작은 블록 요소들의 씰링된 견고한 결합체를 포함한다. 예를 들면, 도 5에서 보다 분명히 보여지는 바와 같이, 블록(90a)은 원주홈(96a)에 탄성 씰(97)을 끼워넣는(capture) 방법으로 나사 형성 볼트들(25-28)(도 2에 부분적으로 번호 표기됨)에 의해 함께 밀봉처리로 결합된 주요부(95) 및 캡부(96)를 포함한다. 작은 블록 요소들 사이의 다른 비슷한 결합체들은 도면에 반영되고, 결합체들의 각각은 공통 블록 조립체(90) 내의 작동 압력을 견디도록 적당한 씰을 보장하는 역할을 한다. 당업자에게 이해되는 바와 같이, 다양한 결합체와 이동 부분에도 불구하고 여전히 견고한 블록 조립체에 작동 압력을 수용하는 동안, 대안적인 실시예들에서 단일 블록 조립체(90)의 목적을 제공하기 위해, 많은 다른 구성들 및 대안적인 재료들이 다양한 서브 블록들 및 더 작은 블록 요소들을 대체할 수 있다.

CFV(10)의 제1 스테이지(20)

바람직한 형태들에서, CFV(10)의 제1 스테이지(20)는 근본적으로 PCB(40)에 의해 제어되는 전자 압력 조정기(330)로서 기능한다. 제1 스테이지(20)는 CFV 연료 유입구(390)와 제1 스테이지 연료 유출구(400)를 포함한다. 제1 스테이지(20)는 연속 흐름 시스템용 밸브(50)의 가변적인 유효 면적을 생성하기 위해 종래의 전자 압력 조정기 구조를 사용하는 제1 스테이지 출구(400)(중간 챔버(300)에 있는)의 압력을 제어한다.

도 5에 더 잘 보여진 바와 같이, 제1 스테이지(20)의 밸브(50)의 유효 면적은 주위의 통로들(421-423)에 의해 등압(pressure-equalized)되는 작동 디스크(419)에 의해 제어된다. 작동 디스크(419)의 위치는 주변 요소(140)로부터 기전력에 의해 이동되고 제어된다. 작동 디스크(419)는 밸브(50)의 위치를 제어하기 위해 번갈아 밸브 샤프트(120)의 동작을 제어하고, 밸브는 압력 평형 다이어프램 밸브이며, 이 밸브의 유효 면적은 밸브(50)의 축방향 위치에 근거해 달라진다. 밸브(50) 그 자체는 포트(391)로부터의 주입 압력에 의해 압력 평형된다.

이상적인 반응성을 위해, 제1 스테이지 액츄에이터(420)는 바람직하게는 고속 작동하는 액츄에이터, 바람직하게는 보이스 코일 액츄에이터(voice coil actuator)이고, 그것은 PCB(40)에 의해 제공된 제어에 따라서, 제1 스테이지 압력 출구(400)(그리고, 따라서, 중간 챔버(300)에 있는)의 전략적 압력을 얻기 위해 압력 평형 밸브(50)에 작동력을 발생시킨다.

바람직한 실시예에서, 제1 스테이지 밸브 액츄에이터(420)는 1.75″의 직경, 2 내지 3 파운드의 힘, 및 3.5 mm의 스트로크(stroke)를 갖는다. CFV(10)의 제1 스테이지(20)는 바람직하게는 4:1 턴·다운비로 작동할 수 있는 시트 형상에서 작용하는 힘 평형 다이어프램(130)을 가진다.

본 발명의 특정 양태의 적어도 하나의 대안적인 실시예에서, CFV(10)의 제1 스테이지(20)는, 포트가 예시된 바람직한 실시예의 부분이 아니더라도, 또한 흡입 공기를 위한 포트 (미도시)을 가진다.

CFV(10)의 제1 스테이지(20)의 추가적인 세부 사항들은 특히 도 5 및 6과 관련하여, 여기에 제공된 다른 도면들 및 관련 설명들로부터 명백해질 것이다. PCB(40)의 제어 하에, 특히 도 1의 "제1 스테이지 CFV 전략(Strategy)"(600) 및 압력 액츄에이터 루프(450)로서 표시된 알고리즘의 제어 하에서, CFV(10)의 제1 스테이지(20)로부터의 기체 연료(350)는 제어된 압력으로 제1 스테이지 출구(400)에 제공된다.

제1 스테이지 출구(400)는 단일 블록 조립체(90) 내에 밀봉된 제한되지 않은 중간 챔버(300)를 통해, 제2 스테이지 입구(460)와 직접 유체 연통된다. 그러므로, 제1 스테이지(20)로부터의 제어된 흐름(351)은 외부의 영향을 받지 않고 제2 스테이지(30) 내로 직접 흐른다.

CFV(10)의 제2 스테이지(30)

도 7에 도시된 바람직한 형태에서, CFV(10)의 제2 스테이지(30)는, 두 스테이지(20,30)가 도 6 및 8의 제어 전략(이들 설명의 다른 섹션에 추가로 기술됨)에 따라 상호 의존적으로 조정되도록 제1 스테이지(20)와 동일한 PCB(40)에 의해 제어되는 고속 작동의 쵸크 흐름 밸브(125)를 포함한다. 음속 이하의 또는 음속에 근접한(near-sonic) 흐름 또는 그와 동등한 것이 천이 흐름 방정식(transitional flow equations)에 기초하여 모형화된 대안적 실시형태로 다루어질 수 있다 하더라도, 특히 바람직한 실시예는 CFV(10)의 제2 스테이지(30)에서 음속 또는 초음속

유량을 갖는 쵸크 흐름을 생성하도록 제어된다. 이러한 대안적 실시형태의 목적을 위해, ˝음속에 근접한˝ 속도는 0.90∼0.99 음속의 범위를 의미하고, 그리고 ˝음속 이하의˝ 속도는 0.90 음속 미만을 의미한다.

제2 스테이지(30)는 (중간 챔버(300)에 있는) 단일 하우징(90) 내에 완전히 봉쇄되는 자체 연료 유입구(460)를 가진다. 제2 스테이지(30)는 자체 연료 유출구(70)를 가지며, 이것은 또한 전체 CFV(10)에 대한 출구 역할을 한다. 제2 스테이지(30)는 근본적으로 그의 유입구(460) 및 그의 유출구(70) 사이에 형성된 연속류 밸브(125)를 갖고, 이 연속류 밸브(125)는 정상 작동 동안 그것을 통한 기체 연료의 쵸크 흐름이 달성되도록 바람직하게 설계되어 있다. 바람직하게는, 연속류 밸브(125) 그 자체는 흐름 제어 표면(1100)과 동심원 오리피스(135) 사이의 유효 밸브 개구부(136)를 정의하기 위해 흐름 경로에 흐름 제어 표면(1100)을 작동가능하게 배치한 축방향으로 조정가능한 중앙 밸브 부재(125)의 형태로 되어 있다. 제2 스테이지(30) 제어를 위한 밸브 액츄에이터(430)("보이스 코일 액츄에이터(430)"로도 지칭됨)는 제2 스테이지 출구(70)에서의 연료의

유량을 직접적으로 제어하는 개구부(136)의 가변 유효 면적을 생성하도록 작동한다. 제2 스테이지(30)의 유효 면적은 고도로 민감한(즉, 고속 작동하는) 액츄에이터(430)에 의해 제어된다. 이상적 반응성을 위해, 제2 스테이지 액츄에이터(430)는 중앙 밸브 부재(125)의 액츄에이터 스템(115)에서 작동력을 발생시키는 고속 작동의 보이스 코일 액츄에이터로서 구현된다. 많은 고속 작동의 액츄에이터들보다 더 민감한 보이스 코일 액츄에이터(430)는 그것의 전체 16 mm 동작 범위에 걸쳐 20 밀리 초(milliseconds) 이내, 바람직하게는 심지어 10 밀리 초 이내에서 중앙 밸브 부재(125)를 작동할 수 있다.

액츄에이터(430)의 위치 제어는, 제2 스테이지 출구(70)(그것은 또한 실제로 CFV 유출구이다)에서 소망하는

유량을 달성하기 위해 PCB(40)에 의해 결정되고, 단일 블록(90)의 중간 챔버(300)에서 감지될 때의 조건에 크게 의존한다. 중간 챔버(300) 내 연료 흐름의 유체 상태들은 바람직하게는 포트(340)를 통해 중간 챔버(300)에 접속되는 단간 T₂ 및 P₂ 센서에 의해 감지된다.

도 7은 중앙 밸브 부재(125)의 바람직한 실시예에서 CFV(10)의 제2 스테이지(30)의 상세도를 도시한다. 바람직한 실시형태에서, 제2 스테이지 CFV(30)는 중심 부재 샤프트(115)와, 제2 스테이지(30) 연료 계측이 가능하도록 설계되는 밸브체(175)의 동심원 밸브 오리피스(135) 내에 축방향으로 조정가능한 중앙 밸브 부재(125)를 갖는다. 중앙 밸브 부재 샤프트(115)의 축방향 위치는 액츄에이터(430)의 보이스 코일로의 전류에 변화를 줌으로써 조정된다. 반응성을 최적화하는 동안 정밀한 제어를 위해, 제2 스테이지(30)의 중심 밸브 부재 샤프트(115)는 밸브 위치 센서(165)와 연결되며, 이 밸브 위치 센서는, 연료 계측이 연결 엔진의 보다 최적 성능을 향하여 필요에 따라 모니터링되고 수정되도록, 중앙 밸브 부재 오리피스(135)에 작용하는 힘의 밸런스에 상관없이 샤프트(115)의 축 방향 위치를 결정한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 센서(165)로부터의 밸브 위치 신호는 그래서 오리피스(135)에 대한 밸브(125)의 위치를 제어하는 밸브 액츄에이터 루프(190)를 위해 사용된다.

바람직한 실시예에서, CFV(10)의 제2 스테이지(30)는 제1 스테이지(20)용 액츄에이터(420)보다 현저하게 더 큰 힘의 액츄에이터(430)를 가진다. 제2 스테이지(30)는 또한 바람직하게는 제1 스테이지(20)가 기여한 개별 턴·다운비와 비교하여 그 자신에 대해 더 높은 턴·다운비를 달성할 수 있다. 특히, 제2 스테이지(30) 액츄에이터(430)의 특정 실시예는, 이와 같은 사항들의 실질적인 변형들의 여지(room)가 본 발명의 대부분의 양태들에 있어서 당업자에 자명할지라도, 3″의 직경, 8∼12 파운드의 힘, 및 16mm의 스트로크로 구현된다.

CFV(10)의 제2 스테이지(30)의 추가적인 세부 사항들은 도 7 및 8과 관련 설명들을 참조하면 분명해질 것이다. CFV의 제2 스테이지(30)의 액츄에이터(430)는 밸브 액츄에이터 루프(190)에 의해 제어된다. 도 8은, 예를 들면, ˝제2 스테이지 CFV 전략˝(800) 및 제2 스테이지 CFV(30)의 ˝밸브 액츄에이터 루프˝(190)에 대한 제어 알고리즘을 도시한다. (본 발명의 특정 양태들의 대안적인 실시형태들에서 제1 스테이지(20)에 대한 대안으로서, 이와 같은 포트가 바람직한 실시형태의 일부가 아닐지라도, CFV(10)의 제2 스테이지 제어(30)는 또한 흡입 공기를 위한 포트를 가진다.)

바람직한 실시예들에서, 제2 스테이지(30)는 액츄에이터(430)의 작동 영향 하에서 동심원 밸브 오리피스(135)에 대해 축방향으로 조정가능한 위치에 중앙 밸브 부재(125)를 가진다. 밸브(125)의 흐름 제어 표면(1100)의 형상은 CFV(10)의 전체 작동 범위에 걸쳐 일관된 설정값 정확도를 가능하게 하는 방법으로 오리피스(135)를 통해 흐르는 연료를 제2 스테이지(30)가 계측할 수 있도록 설계된다. 중앙 밸브 부재 샤프트(115)의 축방향 위치는 보이스 코일 액츄에이터(430)의 전류에 변화를 주어 조정된다. 반응성을 최적화하는 동안 정밀한 제어를 위해, 제2 스테이지 CFV(30)의 중앙 밸브 부재 샤프트(115)는 밸브 위치 센서(165)와 연결되고, 밸브 위치 센서는 연료 계측이 연결 엔진의 보다 최적 성능을 위해 필요한 대로 모니터링되고 수정되도록 중앙 밸브 부재 오리피스(135)에 작용하는 힘의 밸런스에 상관없이 샤프트(115)의 축 방향 위치를 결정한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 그 센서(165)로부터의 밸브 위치 신호는 그래서 오리피스(135)에 대한 밸브(125)의 위치를 제어하는 밸브 액츄에이터 루프(190)를 위해 사용된다.

인쇄회로기판(PCB; 40)

추가적인 최적화를 위해, 인-블록 마이크로컨트롤러(320) 및 관련 제어 회로는 바람직하게는 두 스테이지(20,30) 사이의 중간 챔버(300)와 연통하는 변환기를 포함하는 단일 인쇄회로기판(40)(도 4a에서 또한 볼 수 있음)에서 구현된다. PCB(40)의 인-블록 마이크로컨트롤러(320)는 ECM(100)으로부터의

데이터 신호(105)(및 P₃ 데이터 신호(520)를 포함하는 다른 이용가능한 데이터, 본 명세서의 다른 곳에서 논의됨)를 수신하기 위해 데이터 링크(101)를 경유하여 연결된다. 데이터 링크(101)는 라인(101)을 통한 챔버(300)로부터의 압력 누출의 리스크를 최소화하기 위해, 100 psi 또는 그보다 큰 차동압력에 걸친 사용에 대해 평가되는 몰딩된 와이어 하니스 컨넥터(45)를 통해 ECM(100)과 그것의 제어 네트워크에 연결되며, 제어 네트워크는 바람직한 실시형태에서 CAN 네트워크이다. 수신된 데이터 신호들(105,520)을 사용하여, 인쇄회로기판(40)은 바람직하게는 엔진의 ECM(100)으로 전력 및 데이터 접속(101) 외에 임의의 외부 커뮤니케이션을 하지 않고 CFV(10)의 듀얼 스테이지(20,30)를 제어한다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 대안적인 실시형태는 직류(0-5V) 데이터 접속 또는 CFV(10)와 같은 애플리케이션에 달리 적절한 데이터 접속을 위한 임의의 다른 공지된 대안일 수 있다.

도 1을 참조하면, PCB(40)는 마이크로컨트롤러(320)을 포함하고, 마이크로컨트롤러는 기계 판독가능한 코드, 즉 소프트웨어를 수신할 수 있는 메모리를 가진 임의의 상업적으로 이용가능한 마이크로컨트롤러일 수 있다. 마이크로컨트롤러(320)는 CFV(10)의 ˝두뇌(brains)˝를 제공하고, 압력변환기(331)로부터의 압력 신호들, 서미스터(340)로부터의 온도 신호들, 밸브 위치 센서들(160,165)로부터의 밸브 위치 신호들, 및 전자 제어 모듈(ECM; 100)로부터의 제어 신호들을 수신하며, CFV(10)의 제1 스테이지(20) 및 제2 스테이지(30)에 각각 압력 및 밸브 위치 명령을 출력한다.

다른 형상의 온도 센서들(또는 심지어 온도 외에 유체 상태를 위한 센서 등)이 일부 동일한 목적을 위한 대안으로 사용하도록 고려될 수 있더라도, 서미스터(340)는 그것의 팁에서의 온도를 감지하는 종래의 서미스터이고, 베이스(341)로부터 팁으로 연장되는 와이어 리드들을 가진다. 바람직한 실시예에서, 최적의 유체 상태 피드백(feedback)은 중간 챔버(300) 내에 직접 서미스터(340)의 센서 팁을 배치하여 획득되고, 반면에 서미스터(340)의 베이스(341)는 PCB(40)에 직접 납땜된다. 도 7를 전후 참조하면, PCB(40)가 중간 챔버(300)를 규정하는 블록(90b)의 도시된 표면(302) 뒤에 있더라도, 서미스터(340)의 센싱 팁(sensing tip)은 챔버(300)의 측벽에 적절하게 위치한 센서 포트(342)를 통해 챔버(340) 내로 약간 연장된다. 일 실시형태에서, 압력 변환기(330)는 0∼100 psi의 절대 압력 범위를 가지며, 서미스터(340)는 -40℃∼125℃의 온도 계측 범위를 갖는다.

비재래식 압력 변환기(또는 심지어 압력 외의 유체 조건들을 위한 센서 등)가 일부 동일한 목적을 위한 대안으로 사용하도록 고려될 수 있을지라도, 압력 변환기(331)는 종래의 압력 변환기이다. 압력 변환기(331)는 바람직하게는 컨트롤 보드에 탑재될 수 있는 타입이고, 그것의 베이스로부터 연장되는 뻣뻣한(stiff) 튜브 커넥터(때때로 “스토브 파이프(stove pipe)”로 지칭됨)를 가지며, 베이스를 통해 변환기가 감지될 압력에 접근한다. 바람직한 실시형태에서, 베이스 변환기(331)는 PCB(40)에 직접 탑재되는 반면, 최적의 유체 상태 피드백은 중간 챔버(300)와의 직접적인 유체 접촉으로 그것의 스토브 파이프(또는 대안으로서 그로부터의 튜브)의 팁(330)을 위치시킴으로써 변환기(331)로부터 획득된다. 도 7에 대해 추가로 전후 참조하면, 스토브 파이프 팁(330)은 챔버(300)의 측벽(302)에 적절하게 위치된 센서 포트(343)를 통해 PCB(40)로부터(도시되지 않았으나, 블록(90b)의 도시된 표면의 뒤에) 연장된다. 변환기(331)의 팁(330) 또는 기타 파울링(fouling)의 막힘을 최소화하기 위해, 포트(343)는 바람직하게는 중간 챔버(300)의 측면 칸막이(301)에 있으며, 오염 방지기로 사용하기 위해 알려진 배플 벽(baffled walls) 등에 의해 차폐된다.

프로세서 인클로저(Processor enclosure; 90c)는 CFV(10)의 모든 기본 양태들의 마스터 제어(master control)를 위해 단일 인쇄회로기판(PCB; 40)의 연결 회로 소자들 및 인-블록 마이크로컨트롤러(320)를 포함한다. PCB로부터의 전기 리드 등이 밀봉된 중간 챔버(300) 내로 들어가거나 그와 근접하는 반면, PCB(40)는 또한 바람직하게는, 도 4a 및 4b에서 가장 잘 인식될 수 있는 바와 같이, 단일 CFV 블록 조립체(90) 내부에 생성된 전용 공간(300) 내에 밀봉된다. PCB(40)의 추가적 보호를 위해, 그것은 기계 볼트(310)로 제 위치에 탑재될 뿐만 아니라, 또한 그것의 전용 스페이스에 담기고 캡슐화된다. 이러한 밀봉된 집적화는 최적의 제어를 가능하게 하고, 그것의 작동에 달리 영향을 미칠 수 있는 외래 가공물(extraneous artifacts) 또는 다른 영향들을 최소화하는 것을 돕는다.

제어의 목적을 위해, 압력 변환기(330)와 종래 온도 센서(340)는 중간 챔버(300)에서 연료의 압력 및 온도를 모니터링하며, 중간 챔버는 제1 스테이지(20)와 제2 스테이지(30) 사이에 개재된다.

인-블록 마이크로컨트롤러(320)의 제어 전반에 걸쳐, 본 발명의 실시형태들은 종래기술의 많은 제한 및 도전을 극복하는 혁신적인 접근법을 통해 이 분야의 오랫동안 느껴왔던 미해결 요구들을 다룬다. 본 발명의 많은 교시들에 따라서, 산업은 다양한 애플리케이션의 전력 수요에 쉽게 적응가능하고, 또 내연 기관의 상당한 규모의 동력 범위에 걸쳐 연료 흐름을 쉽고 정확하게 그리고 정밀하게 제어할 수 있는 듀얼 스테이지 연속류 제어 시스템에서 명시된 해결책들을 제공할 수 있게 된다.

도 4b - 유사한 대안적인 CFV(10′)

도 4B는 CFV(10′)의 형태로, CFV(10)의 유사한 대안적인 실시예를 도시한다. CFV(10′)는 CFV(10)와 매우 동일한 구조와 기능을 가지며, 따라서 CFV(10′)의 구성요소들에 대해 프라임 [′] 부호가 추가되는 것 외에는 각각의 동일 구성요소들에게 동일한 번호가 부여된다. CFV(10)의 블록 조립체(90)와 유사하게, CFV(10′)의 단일 블록 조립체(90′)는 3개의 서브 블록들(90a′, 90b′ 및 90c′)의 견고하게 통합된 조합을 포함한다. 도 4b의 사시도로부터, CFV(10′)의 대안적인 실시형태는 씰들(401 및 402)을 보여준다. 씰(401)은 제1 스테이지 서브 블록(90a′)와 제2 스테이지 부 블록(90b′) 간에 결합체를 밀봉하여 둘러싼다. 씰(402)은 마찬가지로 PCB 서브 블록(90c′)와 서브 블록(90b′) 간에 결합체를 밀봉하여 둘러싼다. 그 결과로 형성된 결합체는 단일 블록(90′) -- CFV(10)의 내부 밸브 요소들을 위한 밀봉된 단일 하우징을 형성한다. 일 실시형태에서, CFV(10′)는 또한 적어도 320 psig의 내압을 포함할 수 있다. 마이크로컨트롤러(320′)와 관련 회로는 바람직하게는 CFV(10′)의 모든 기본적인 양태들을 제어하는 단일 인쇄회로기판(PCB; 40′)에 탑재된다.

단일 블록 조립체(90′) 내에, 와이어들(403 및 404)이 서브 블록(90c′) 내 PCB(40′)로부터 서브 블록(90a′및 90b′) 내 액츄에이터들(420 및 430)까지 각각 연장하여 CFV(10′)의 여러 구성요소들을 작동가능하게 연결시킨다. 특히, 와이어들(403) 및 와이어들(404)은 그것의 다른 구성요소들에 단일 블록 조립체(90′)의 구성요소들을 결합할 수 있다. 특히, 와이어들(403)은 (도 4b에서 분할된 씰(401a) 및 서브 블록(90b′)의 관련 벽에 의해 표시된 것처럼) 챔버(300′)와는 별도로 정의된 별개의 채널(291')(도 4a에서 부호 291로 식별된 대응 채널)을 구비하고 액츄에이터(420′)에 PCB(40′)를 연결한다. 와이어(404)는 유사하게 서브 블록(90b′)의 분리 채널을 통해 연결된다.

제 1 스테이지 제어 전략

도 1의 다이어그램과 도 6의 제 1 스테이지 로직 트리 사이의 상호-참조에 의해, CFV(10)의 제 1 스테이지(20)의 액츄에이터(420)는, 도 6에 도시된 제 1 스테이지 제어 전략에 의해 제어되는 압력 액츄에이터 루프(450)에 의해 제어된다. 도 6은, CFV(10)의 제 1 스테이지(20)를 위해 압력 액츄에이터 루프(450)의 타겟 압력의 역할을 하는 압력 명령(P_cmd)(470)을 결정하기 위한 알고리즘 제어 전략의 블록선도를 도시한다.

제 1 스테이지 전략 알고리즘 및 제 2 스테이지 전략 알고리즘은 이 설명의 다른 특징들에 비추어 도면의 신중한 검토로부터 본 기술분야의 당업자들에게 합리적으로 이해될 수 있어야 하지만, 일부 추가적인 정교한 노력이 도움이 될 수도 있다. 일반적으로, 도 6 및 도 8 둘 다의 바람직한 알고리즘들의 묘사를 위해, 반복되는 일반적인 명칭들이 사용된다. 그 명칭들 중 일부는, "에어(air)"가 공기를 의미하고 "비율(ratio)"이 두 데이터 값들 사이의 비율을 의미하는 것처럼, 일반적인 의미들을 갖는 완전한 단어들이다. "CAN"은 기술적으로 "컨트롤러-영역-네트워크(controller-area-network)"의 약자이지만, "CAN" 레퍼런스는 CAN 네트워크를 의미하는 일반적으로 사용되는 기술 단어이거나, 또는 보다 정확하게는 도 6 및 도 8의 맥락에서, CAN 네트워크를 통해 수신된 데이터를 의미한다.

그 상태에서, CAN 네트워크는 CFV 조립체(10)의 외부로부터 CFV 컨트롤러(320)에 의해 라인(101)을 통해 수신된 모든 명령들, 변수들 및 기타 데이터의 통신을 위한 바람직한 통신 링크라 하지만, 무선의, 아날로그 신호들, 디지털 신호들, 또는 다른 통신 수단은, 본 발명의 많은 특징들을 여전히 포용하는 동안, 대체물들로서 사용될 수 있다고 인식되어야 한다.

일반적인 또는 쉽게 이해되는 약어들(abbreviations)은 또한 도면들에 사용된다. 특히 도 6 및 도 8에 대해서, 특정 레퍼런스들이 달리 더욱 명확하게 될 수 있는 경우를 제외하고, "mdot"는 질량 유량(mass flowrate)을 의미하고; "Cmd"는 명령(command)을 나타내고; "nrm"은 특정 변수에 대한 정규화된(normalized) 값으로서, 그 변수에 대한 전체 규모의 퍼센트를 의미하고; "FS"는 해당 변수에 대한 실제 값을 구하기 위해 정규화된 값이 곱해지는 풀-스케일(full-scale) 또는 스칼라 인자를 의미하고; "Pos"는 밸브 또는 그의 액츄에이터의 위치와 같은 위치(position)를 의미하고; "Tgt"는 "AEffTgt"로 표시된, 밸브의 유효 영역에 대한 타겟 값에서와 같은 타겟을 의미하고; "lp"는 저역-통과(low-pass) 필터, 또는 저역-통과 필터에 의해 필터링된 변수를 의미하고; "ck"는 이론적 쵸크(choked) 흐름 방정식들을 의미하고; "SQRT"는 일반적으로, 이론적 쵸크 흐름 방정식들의 문맥에서 다른 곳에서 보다 충분히 설명될 수학 제곱근 함수를 나타내고; "Aeff"는 특정 밸브의 유효 오리피스(orifice) 영역이고; "TAEff"는 특정 조건들의 AEff에 대한 테이블 룩-업(look-up) 값을 의미하고; "max"는 변수의 최대값을 의미하고; "T"는 온도를 의미하고(TAEff의 문맥에서는 제외); "P"는 압력을 의미하고; 그리고 "dis"는 바람직한 실시예에서 P₃ 신호(520)가 엔진(270)의 흡기(intake)로부터의 하류 압력 측정치를 나타낸다는 사실을 반영하여, "distant(거리)"의 약자이다.

특히, "SQRT_ck_T_air"(570)는 (도 7에 표시된) 온도 센서(340)에 의해 감지된 온도와 관련하여 "감마(gamma)" 특정 열 비율 연료 상수(specific head ratio fuel constant; 종종 "k"로 표시됨)에 기초하여 계산된다. 현재 우리의 목적을 위해, 제어 전략은 다음과 같은 고전적인 이론 방정식을 기본적으로 따를 것이라고 가정한다:

mdot = A_eff*P*(SQRT_ck_T)

이 표현에서, "SQRT_ck_T"(480)는,

{M/RT*gamma*{[2/(gamma+1)]^[(gamma+1)/(gamma-1)]}}의 제곱근이다.

여기에서 그리고 일부 다른 표현들(490, 492, 493 및 494)에서, "A_eff"(또는 "AEff")는 특정 밸브(20 또는 30)의 유효 영역이다. 당연히, 특정 밸브(20, 30)의 유효 영역(A_eff)은 각각의 밸브(20, 30)의 위치, 및/또는 그의 액츄에이터에 대응하며, 여기서 액츄에이터는 차례로, 대응 밸브(20, 30)의 액츄에이터에 전송된 명령 신호에 크게 의존한다.

도 6의 제어 전략의 중심은, 두 개의 타겟 압력 밸브들(575, 550) 중 보다 큰 것이 실제 압력 액츄에이터 제어 루프(450)를 위한 타겟이 될 수 있게 하는 "Max"(590) 결정이다. 제 1 타겟 압력 밸브("P_cmdTgt₁")(550)는 두 개의 주요 계산들(505, 510) 중 첫 번째 계산에서 특성화된 가정들 및 관계들에 기초하여 결정된다(첫 번째 계산(505)은 도 6의 우측에 도시되어 있다). 질량 유량에 대한 고전적인 이론 방정식에 따라, P_cmdTgt₁(550)은 나눗셈 연산(559)에서 mdotCmd lp(558)를 AEffTgt(SQRT ck T)(494)로 나눔으로써 계산된다. 마찬가지로, 제 2 타겟 압력값("P_cmdTgt₂")(575)은 두 개의 주요 계산들(505, 510) 중 두 번째 계산에서 특성화된 가정들 및 관계들에 기초하여 결정된다(두 번째 계산(510)은 도 6의 좌측 하단 사분면에 도시되어 있다). 첫 번째 계산(제 1 계산)(505)이 제어할 때, 제 1 계산(505)은 쵸크(choked) 흐름이 제 2 스테이지(30)의 밸브(125)의 공칭 위치로 용이하게 달성될 것이라는 가정에 기초하여 P_cmd(470)를 생성하지만; 이용 가능한 데이터가 쵸크 흐름이 중간 챔버(300) 내의 더 큰 압력(P₂) 없이는 거의 없을 것이라고 제안하면, 두 개의 계산들(505, 510) 중 (도 6의 좌측에 있는) 두 번째 계산(제 2 계산)(510)은 P_cmd(470)를 증가시킨다.

소정의 적절한 단간 압력(P₂)이 제 2 스테이지(30) 내의 쵸크 흐름을 달성하도록 유지되지 않을법한 상황을 차단하기 위해, 두 계산들(505, 510) 중 (도 6의 좌측에 있는) 제 2 계산(510)은 표현들(520, 530 및 571)의 "P₃" 또는 "P_dis"로 표시된 하류 압력 신호에서 공제한다. P₃ 데이터 포인트는 CFV(10)의 유출구(70)에서의 연료 압력을 나타내며, 도면들에 도시된 바와 같은 바람직한 실시예에서는 P_dis에 의해 근사화된다. 바람직하게, P_dis 데이터 포인트는 CAN 네트워크의 라인(101)을 통해, ECM(100)으로부터의 데이터 신호(520)로서 수신된다. 고려된 특정 압력 신호(P_dis_nrm)(520)는 엔진(270)의 TMAP 및/또는 TIP 센서들(521)에 기초한 실제 하류 압력 결정이다. 센서(521)(또는 대체물)로부터 수집된 데이터에 기초하여, ECM(100)은 CFV 유출구(70)에서의 압력의 근사치를 구한다. (도 6 및 도 8의 임의의 다른 "FS"(555, 530) 표시들과 더불어) mdotCmdFS(555)에 의해 반영된 바와 같이, 이후 알고리즘 전략은 P_dis(571)에 대한 실제 값을 얻기 위해 mdotCmd_nrm(560) 데이터에 풀-스케일(따라서, "FS") 값을 곱함으로써 그 mdotCmd_nrm(560) 데이터를 비정규화한다. 다시, 그 P_dis(571)은 이후 볼파크(ballpark)로 사용되어, CFV 유출구(70)에서 CFV(10)에 의해 전달된 예상 연료 압력의 근사치를 구할 수 있다. 이후, 그 압력(571)을, 제 2 스테이지 밸브(125) 특유의 소정 P_ratio(540)과 비교함으로써, 제 1 스테이지 타겟 압력(P_cmd)(470)은, 일반적으로 중간 챔버(300) 압력 내의 압력이 충분히 높음을 보장하기 위해 비례적으로 증가된다(즉, P_ratio(540)으로 나누어진다).

도 6의 두 계산들 중 (우측에 있는) 제 1 계산(505)을 다시 참조하여, 제 1 계산(505)은 쵸크 흐름이 CFV(10)의 제 2 스테이지(30)에서 용이하게 달성될 것이라는 가정에 기초하여 제 1 스테이지(20)를 위한 타겟 P_cmdTgt₁(550)을 결정한다. 그 제 1 계산의 전략은 도면들로부터 이해되어야 하지만, "TA_EffTgtNrm"(565)이 ECM(100)이 필요로 하는 특정 mdot 유량(105)을 달성하기 위해 타겟될 제 1 스테이지 CFV(20)의 유효 영역의 최고의 공칭 값을 위한 테이블(따라서, "T-" 접두사) 룩-업(look-up)을 가리킴을 이해하는 것은 도움이 될 수 있다. 다양한 테이블 또는 알고리즘들은 "TA_EffTgtNrm"(565)를 결정하는데 사용될 수 있지만, 바람직하게, 각각의 특정 제 1 스테이지(20)의 밸브 특성들에 적용될 수 있는 테스트들에 기초하여, 미리 결정되는 경험적으로 결정된 테이블이 바람직한 실시예에 사용된다. 보다 명확하게 하기 위해, CFV(10)의 특정 중복을 위한 하나의 이러한 테이블이 아래에 나타나 있고, 여기서 (이 테이블 우측의) AeffTgt_nrm(%)(565)에 대한 공칭 타겟 값들은 (이 테이블 좌측의) mdotCmd_nrm(560)에 기초하여 설정된다:

mdotCmd_nrm(%)	AeffTgt_nrm(%)
0.00	0.000
0.10	2.560
1.00	3.840
5.00	8.320
9.00	12.800
14.00	20.480
20.00	28.160
27.00	35.840
35.00	43.520
44.00	52.480
54.00	60.800
65.00	67.840
77.00	72.960
90.00	76.800
99.90	78.080
99.90	78.080

이러한 테이블에 따라 결정된 AeffTgt_nrm(565)로부터, 그 정규화된 테이블 룩-업(565)은 이후, (사용중인 특정 연료(480, 580)와 관련된 에어(air)(570)에 대한 SQRT_ck_T 변수들의 비율로 인수 분해함으로써) 사용되는 특정 연료를 위해 그리고 사용중인 특정 제 1 스테이지(20)에 대한 최대 유효 영역(492)을 위해 적절하게 스케일링된다. SQRT_ck_T 비율로의 인수 분해의 결과와 최대값 Aeff는 쵸크 흐름 가정들 주어진 mdotCmd_nrm(560)에 기초하여 적절한 타겟 압력 레벨을 스케일-업(up)하고, 여기서 mdotCmd_nrm(560)은 도 6의 우측(505)으로부터 반영된 P_cmdTgt₁(550) 넘버를 생산한다. 수학에 묻혀 있지만, 중간 챔버(300) 내의 서미스터(thermistor)(340)에 의해 감지된 온도 T₂ ("T")는 제 1 스테이지(20) 및 제 2 스테이지(30) 제어 둘 다를 위해, 제어 전략의 여러 포인트들에서 PCB(40) 마이크로프로세서(320)에 의해 사용됨이 이해되어야 한다.

따라서, 최적 P_cmd(470) 레벨은 도 6의 전략 다이어그램의 "Max" 교차점(590)에서 제어한다. 동작시 어느 쪽이 더 크든 간에, PCB(40)는 CFV(10)의 제 1 스테이지(20)의 압력 액츄에이터 루프(450)의 제어하에 제 1 스테이지 CFV(20)의 유출구(400)에서의 그 압력을 달성하기 위해, 결정된 Max P_cmd(470, 590)을 CFV(10)의 제 1 스테이지의 압력 액츄에이터 루프(450)에 전송한다. 이해되는 바와 같이, 압력 액츄에이터 루프(450)는, Max P_cmd(470, 590)이 중간 챔버(300)에서 실제로 생성됨을 보장하기 위해 피드백 제어 관계에서 밸브 액츄에이터(420) 동작을 조정하는 종래의 압력 피드백 루프이며, 이는 그 중간 챔버(300)에서 압력 감지 포트(343)와 직접 유체 연통되어 있는 PCB(40)의 압력 센서(331)에 의해 확인되는 바와 같다.

제 2 스테이지 제어 전략

CFV(10)의 제 2 스테이지(30)의 추가 세부사항들은 특히 도 7 및 도 8을 참조하여, 여기에 제공된 다른 예시들 및 관련 설명들로부터 명백할 것이다. PCB(40)의 제어하에 - 특히, (도 8의) "제 2 스테이지 제어 전략" 및 도 1의 "제 2 스테이지 액츄에이터 루프"(190)로 도시된 알고리즘들의 제어하에 -, CFV(10)의 제 2 스테이지(30)로부터의 기체 연료는 제어된

유량에서, 엔진(270)과 유체 연통되어 있는 CFV 유출구(70)로 제공된다.

제 2 스테이지(30)에서, PCB(40)는 도 9에 도시된 바와 같이, 그 변위에 관련하여 P₂ 및 제 2 스테이지(30)의 알려진 흐름 특성들에 기초하여 밸브 부재(125)의 위치 및 그의 흐름 제어 표면(1100)을 제어한다. PCB(40) 제어 하에, 실제

유량이 배출되는 CFV 유출구(70)는 PCB(40)의 2-스테이지 제어 전략 다음에 관리되어, ECM(100)으로부터의 현재 mdot 수요(105)를 1% 내의 세트포인트 정확도로 일관되게 및 지속적으로 매칭한다.

바람직한 실시예에서, 중앙 밸브 부재(125)는 중앙 종축(126)을 갖는 장형(elongate) 밸브 부재이다. 중앙 밸브 부재(125)는 액츄에이터(430)의 제어된 영향 하에 오리피스(135) 쪽으로 및 오리피스(135)로부터 멀리 자유롭게 움직일 수 있는 방식으로, 액츄에이터(430) 및 오리피스(135) 둘 다와 동일한 중심을 갖는 제 2 스테이지(30) 내에 위치된다. 중앙 밸브 부재(125)는 챔버(300)에 위치된 그 끝에서의 흐름 제어 표면(1100), 그 끝에서 중앙 밸브 부재(125)에 대향하는 액츄에이팅 스템(actuating stem)(115), 및 그들 사이의 기계적 정지 구조(1200)에 의해 특성화된다. 중앙 밸브 부재(125)는 "레볼루셔널(revolutional)" 모양을 갖는 액티브 흐름 제어 표면(1100)을 갖는다. 표면(1100)은 일반적으로 회전 표면의 모양을 갖는다는 점에서 회전체이다. 그 회전 표면은 중앙 밸브 부재(125)의 중앙 종축(126)에 대해 회전되는 것처럼, 도 10d에서 볼 수 있는 형상 프로파일의 축 회전인 것이 바람직하다. 아래에 추가 설명되는 바와 같이, 흐름 표면(1100)은 가스 유체의 흐름 및 압력을 조정하는 역할을 한다.

도 8은 CFV(10)의 제 2 스테이지(30)의 밸브 액츄에이터 루프(190)에 전송하기 위한 밸브 위치 명령(V_PosCmd)(620)을 결정하기 위한 제어 전략(800)의 블록선도를 도시한다. 단간 압력(P₂)을 제어하는데 있어서 제 1 스테이지 전략(600)이 제 2 스테이지와 상호 의존하기 때문에, 제 2 스테이지 전략(800)은 상대적으로 단순하게 나타난다. 블록선도에 도시된 바와 같이, AeffCmd(803)는 mdotCmd(556)를 결정하기 위해 풀 스케일 팩터(factor)(555)에서 팩토링(factoring)하고 저역 통과 필터(557)에서 팩토링한 후, 도 6의 mdotCmd_nrm(560)에 기초하여 결정된 mdotCmd_lp(558)에 기초하여 결정된다. mdotCmd_lp(558)를 알면, 그 명령 변수는 이후 나눗셈 연산(802)에서 P3*(SQRT_ck_T)(594) 결정(곱셈 연산(801)에서 계산됨)으로 나누어져 제 2 스테이지(30)에 필요한 유효 영역 AeffCmd(803)을 결정한다. 필요한 유효 영역 AeffCmd(803)으로부터, 밸브(125)에 대한 밸브 위치 명령이 이후 룩-업 테이블 TAeffCmd(804)로부터 결정된다. 바람직한 실시예에서, 그 테이블(804)은 도 9에 도시된 흐름 커브(900)의 데이터 상당물이다. 이후, 결과적인 위치 명령 V_Pos_Cmd(620)은 오리피스(135)와 관련된 밸브(125)의 대응 순간 위치를 초래하기 위한 제 2 스테이지 액츄에이터 제어 루프(190)에 전송된다. CFV(30)의 제 2 스테이지의 바람직한 실시예들은 200kPa의 단간 압력 P₂로 동작할 때 16mm 스트로크(stroke)를 갖는 거의 18 g/s

유량을 달성할 수 있다.

작동 압력

그 구성들(adaptations)이 다른 상류 조건들을 위해 만들어질 수 있음을 이해할 수 있어도, CFV 입구(390)에서의 공급 라인(376)의 압력은 바람직하게는 기계 압력 조정기(370)에 의해 60 psig(74.7 psi 절대값(absolute)) 또는 그 이상이 되도록, 바람직하게는 60∼85 psig 범위에 있도록 제어된다. 이에 비해, CFV(10)의 최대 토출 압력은 바람직하게는 41.7 psi 절대값보다 크지 않도록 제어되며, 이는 CFV(10)를 일반적으로 약 0.558 또는 그 이하의 임계 압력비로 제어할 수 있게 하는 한편 여전히 큰 동적 출력 범위들을 가능하게 한다.

CFV(10)의 단위 블록(90)내에서, PCB(40)는 또한 두 스테이지들(20 및 30) 사이를 연결하는 중간 챔버(300) 내의 단간 압력(P₂) 및 온도(T₂)를 감시한다. 다음에 CFV(10)는 도 6에 도시된 전략 이후에 P _cmd 판정을 순간적으로 달성하기 위해 전자식 압력 피드백 제어를 사용하여 단간 압력(P₂)을 제어하는 기능을 하며, 단간 압력은 4:1의 제1 스테이지의 바람직한 턴·다운비가 주어지면, 전형적으로 15 psig(60 의 ¼)∼85 psig 범위로 제어될 것이다.

그만큼 달성하기 위한 바람직한 CFV(10)의 제어 방법은 CFV(10)의 출구(70)로부터 나오는 연료 흐름의 사실상의 또는 추정된 유체 상태들에 부분적으로 의존한다. 출구 유체 상태들을 측정하거나 추정하는 기타 방법들은 본 발명의 특정 변형들의 범위 내에서 예상되지만, 도시된 실시예들은 ECM(100)에 의해 감시되는 압력(목적상 "P₃"로 지칭됨)을 모니터링하는 하류 센서(521)로부터 그만큼 측정하고, 이를 위해 대표 데이터 신호(520)는 ECM(100)으로부터(또는 ECM(100)과 연결된 데이터 네트워크로부터) 연속적으로 이용될 수 있다. 데이터 신호(520)의 특정 P ₃ 값은 바람직하게는 엔진(270) 내의 예비 연소 연료 압력의 특징인, 엔진(270)으로부터의 임의의 이용가능한 데이터 스트림을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 바람직한 하류 센서(521)는 전자 트로틀(throttle; 240)의 하류측으로 엔진의 흡기 매니폴드(262)에 위치된 종래의 TMAP 센서 모듈이다. 종래의 TMAP 센서(521)에 추가로, 또는 대안으로서, 하류 데이터(240)는 또한 트로틀(240)의 상류측에 종래의 TIP 센서 모듈로부터 수집될 수 있다. CFV(10)로부터 배출된 기체 연료의 실제 압력에 관한 신뢰성있는 데이터를 위하여, 또 다른 대안적인 실시예들은 엔진(270)의 흡기부(272)에 직접 독립형 압력 센서(도시 생략)를 포함할 수도 있으며, 또한 기타 대안적인 실시예들은 CFV 유출구(70)를 빠져나가는 연료 공급 라인에서 직접 계측된 하류 데이터에 대신 의존한다. 본 발명의 더욱 바람직한 변형을 위해 하류 압력(P ₃ )을 알고 있다는 이점에도 불구하고, CFV(10)의 덜 바람직한 대안적인 실시예들은 다른 조정과 절충이 필요하지만, 하류 연료 압력(P ₃ )의 값을 몰라도 기능할 수 있음을 인식해야 한다 .

제2 스테이지 밸브 위치에 따른 흐름 제어 변화

도 9는 CFV(10)의 흐름 곡선(900)을 도시하는 그래프이다. 제1 곡선(900)은, 제2 스테이지(30)가 엔진(270)의 300 마력 변화와 함께 사용하도록 구성되어 있을 때, 제2 스테이지(30)의 의도된 흐름 곡선을 나타낸다. 도시의 편의를 위해, 중간 챔버(300)내의 압력(P₂)이 정상 작동시에 인-블록 마이크로컨트롤러(320)의 제어 하에서 달라지더라도, 흐름 곡선(900)은 챔버(300) 내 하나의 주어진 압력(P₂)에 대해 모든, 밸브 위치에 따른 제2 스테이지의 쵸크

유량 관계를 나타낸다. 곡선(900)에 대한 이러한 주어진 압력(P ₂ )은 200 kPa이다.

흐름 곡선(900)의 그래프는 주로 제2 스테이지 밸브 부재(125)의 제어된 위치에 기초하여 CFV(10)를 빠져나가는 연료

유량(초 당 그램) 간의 관계를 도시하며, 여기서 이러한 제어된 제2 스테이지 밸브 위치는 밸브(125)가 동심 오리피스(135)에 거의 접촉할 때 완전히 닫힌 위치로부터의 그의 길이방향 변위(또는 밀리미터 단위의 “스트로크”)를 특징으로 하며, 여기서 이러한 접촉의 회피는 기계적 스톱 조립체(1200)에 의해 보장된다. 도 10d에서 오리피스(135)에 대한 밸브(125)의 개방 위치의 실선 묘사에 비해, 밸브(125)의 완전히 닫힌 위치는 또한 점선(135 ')으로 도면에 도시된다(그러나, 오리피스(135)가 밸브(135)에 대하여 이동되기 보다 실제 작동에서 밸브(125)가 오리피스(135)에 대하여 이동되는 것으로 이해해야 한다).

곡선(900)에 의해 나타낸 바와 같이, 제2 스테이지(30)의 흐름면(1100)은 그래프의 양 축들에 대해 선형 스케일(linear scale)을 사용하여, 제2 스테이지 밸브 오리피스(135)에 대하여 완전히 닫힌 위치로부터 제2 스테이지 액츄에이터(430)가 중심부재(125)를 얼마나 멀리 이동시켰는지에 따라 최종

유량을 변경하도록 형상화되었다. 당업자에게 이해되는 바와 같이, 곡선(900)으로 묘사된 관계는 주로 (도 10d에 가장 잘 도시된) 외부 흐름면(1100)의 형상의 결과이며, 본 명세서에서 더욱 설명될 것이다.

참고로, 도 9는 수직 점선(920)에 의해 표시된 바와 같이, 좌측의 0.0mm로부터 우측의 약 15½ mm 까지의 전체 “스트로크” 범위를 보여준다. 세 개의 다른 점선 수직 스트로크 라인들(921,922 및 923)은 또한 전 범위의 중간을 표시하는데, 라인(921)은 전체 스트로크 범위의 절반(즉, 대략 7.7mm)에 해당하고, 라인(922)는 전체 스트로크 범위의 3분의 2(즉, 대략 10.3mm)에 해당한다. 네 점선 수평 라인들(930-933)은 각각 네 점선 수직 라인들(920-923)에 해당하는 지점들(910-913)의 유량들에 대응한다. 최대 유량(930)은 도 9에서 대략 17.6 g/s인 반면, 점선 수평 라인(933)은 그 유량의 절반, 또는 대략 8.8 g/s에 해당한다.

흐름 곡선(900)의 특성은 곡선(900)의 형상에 대한 추가의 관찰로부터 도출될 수 있지만, 몇 가지 특성들은 CFV(10)의 의도된 성능을 가능하게 하기 위해 특히 주목할 만한 것으로 현재 생각된다. 예컨대, 곡선(900)은, 기울기들 또는 그것의 스트로크 범위의 나머지의 평균 기울기와 비교하여, 그 스트로크의 범위의 4배 더 낮은, 및 실제로 그 스트로크의 범위의 전체 절반 정도 낮은 비교적 작은 기울기들(즉, 스트로크의 변화 당 유량의 변화)을 가진다. 이러한 상대적으로 작은 기울기들로 인해 설정값 정확도는 높은 스트로크 범위에서의 설정값 정확도에 비해 그러한 낮은 범위들에서 비슷하게 된다.

흐름 곡선(900)은 일반적으로 스트로크 범위의 하반부(라인(921)의 좌측)에서 상승(즉, 지수함수적으로 증가)하고, 실제로는 일반적으로 스트로크 범위의 하부 3분의 2(라인(922)의 좌측)에서 상승한다. 따라서, 곡선(00)에 대한 최대의 기울기들(즉, 스트로크의 변화당 유량의 최대 변화들)은 바람직하게는 스트로크 범위의 상반부(즉, 중앙 밸브부재가 오리피스(135)로부터 더욱 멀리 변위되는 절반)에서 발생한다. 곡선(900)에 대한 이러한 최대 기울기들은 가장 바람직하게는 그 스트로크 범위의 상부 3분의 1 또는 도 9에 도시된 바와 같이 전체 작동 스트로크 범위의 약 3분의 2의 어딘가에서 발생한다. 흐름 곡선(900)의 형상(및 동동한 곡선들)으로 인해 설정값 정확도가 상하 스트로크 범위 모두에서 비슷하게 된다.

마지막으로 주목할 것은, 곡선(900)의 지점(913)에 의해 반영된 바와 같이, 전체

유량의 절반은 제2 스테이지 액츄에이터(430)가 유량 밸브(125)를 그의 스트로크 범위의 상반부 내로, 바람직하게는 그의 스트로크 범위의 상부 3분의 1 내로 이동시킬 때까지 도달되지 않으며, 이는 각각 라인들(921 및 922)의 우측에 있는 지점(913)으로 표시되어 있다.

각각의 특정 CFV(10)는 일반적으로 그것의 최대

유량, 그것의 제2 스테이지(30)의 작동 스트로크 길이, 및 도 9에 도시된 것과 같은 흐름 곡선(900)의 일반적인 형상을 특징으로 할 수 있다. 이러한 일반적인 특성에도 불구하고, CFV(10)의 각각의 특정 복제(duplicate)에 대한 정밀한 흐름 곡선(900)은 제조 허용오차 등으로 인해 다를 것이다. 따라서, CFV(10)의 작동 범위에 걸쳐 매우 정밀한 설정값 정확도를 보장하기 위해, CFV(10)의 각각의 복제에 대한 곡선(900)(또는 등가 데이터)은 인-블록 컨트롤러(320)에 지정 생성되고 저장되어야 한다. CFV(10)의 각각의 복제에 대한 맞춤형 흐름 곡선(900)을 생성하기 위해, CFV(10)는 제조 완료시 최종 라인의 보정 동안 특별한 주의의 대상이며, 그 작동 범위에 걸쳐 여러 특성 밸브 위치들 각각에 대해, 바람직하게는 제2 스테이지(30)에 대한 적어도 15개의 밸브 위치들에 대해 제2 스테이지(30)의 유효 영역을 결정한다. 설정값 정확도의 더 큰 보장을 위해, 보정시 비슷한 수준의 특별한 주의가 제1 스테이지(20)에 대해 또한 이루어질 수 있다.

또한, CFV(10)의 특정 모델이 더 높은 최대 유량을 달성하도록 구성될 때, (서로 다른 유량 범위이지만) 곡선(900)과 유사하게 형성된 곡선들이 발생할 것이고, 이는 더 큰 마력을 가진 엔진들에 일반적으로 적합한 것이라는 점을 당업자가 이해하여야 한다. 서로 다른 출력 범위들 및/또는 서로 다른 애플리케이션들에 대해 유사한 곡선들을 생성하기 위해, 제2 스테이지(30)는 출력 범위 및/또는 애플리케이션에 충분할 만한 특정 단간 압력을 위해 모델링된다. 예를 들면, 300 마력의 변화가 흐름 곡선(900)에 대한 특징이 있는 것으로 구성하기 위해, 제2 스테이지(30)는 충분히 높은 고정 단간 압력값(P₂)을 위해 모델링되는데, 이것은 곡선(900)에 대해 225∼300 kPa 범위의 어딘가에 미리 정해져 있었던 것으로 생각된다. 더 작은 동력 범위에 대해서, 최대

유량이 그만큼 높을 필요는 없을 것이지만, 곡선은 곡선(900)과 매우 유사한 것으로 보여질 것이다. 마찬가지로, 더 높은 피크 유량이 더 큰 출력 범위에 필요할 것이다. 예를 들어, 450 마력의 변화에 맞게 구성하기 위해서는, 제2 스테이지(30)는 훨씬 더 높은 고정 단간 압력값(P₂)을 위해 모델링되고, 최대 유량은 25 그램/초 이상을 초과할 필요가 있을 것이다.

기계적 스톱 조립체(1200)

밸브 부재(125)의 기계적 스톱 조립체(1200)는 액츄에이터 스템(115)와 그것의 작동 흐름 제어 표면(1100) 사이에 걸쳐 있다. 기계적 스톱 조립체(1200)는 밸브 부재(125)의 말단부를 향하는 두 반경방향으로 마주한 스톱들(stops; 1200a 및 1200b), 및 그 반대 방향으로 액츄에이터 축(115)을 향하는 하나의 환형 스톱을 갖는다. 기계적 스톱들(1200a 및 1200b)은 오리피스(135) 내로 흐름 제어 표면(1100)의 축방향 이동을 제한하고, 환형 스톱(1200c)은 오리피스(135)로부터 그 반대방향으로 흐름 제어 표면(1100)의 축방향 이동을 제한한다.

도시된 바와 같이, 기계적 스톱들(1200a 및 1200b)은 바람직하게는 중앙 밸브 부재(125)의 대향 측면들로부터 반경방향으로 연장하는 날개형 돌기의 외주 말단면들(outer distally-faced surfaces)에 지지된다. 기계적 스톱들(1200a 및 1200b)의 날개형 돌기들은 가스 유체가 날개형 돌기들을 지나 보다 쉽게 흐를 수 있도록 일반적으로 밸브 부재(125)의 중심축과 동일 평면이다. 반대 방향의 기계적 스톱은 바람직하게는 액츄에이터 스템(115)의 더 작은 직경 덕분에 스톱 조립체(120)의 액츄에이터 단부상에 제공되고, 액츄에이터 스템은 회전 흐름 제어 면(revolutional flow control surface; 1100) 뿐만 아니라 기계적 스톱 조립체(1200) 보다도 상당히 더 좁다.

작동 범위에 걸친 매우 정밀한 유량 설정값의 정확도

도 9의 그래프는 또한 이 그래프의 흐름 곡선(900)에 대한 설정값 정확도 밴드들(901,903 및 905)을 도시하기 위해 수정되었다. 설정값 정확도 밴드들(901,903 및 905)은 다음과 같은 분류된 전체 범위 설정값 정확도들에 대한 사양 내에 있게 되는 유량의 범위를 도시한다: 설정 값 정확도 밴드(901)에 있어서는, +/- 1%, 즉 극히 정확; 설정 값 정확도 밴드(903)에 있어서는, +/- 3%, 즉 고도의 정확; 및 설정값 정확도 밴드(905)에 있어서는, +/- 5%, 즉 대체로 정확이다. 공지된 바와 같이, 더 낮은 백분율은 더 높은 정확도이고, 설정값 정확도가 더 높을수록 각각의 주어진 세트의 조건들에 대한 유량은 의도된

유량과 더욱 가깝게 일치할 것이다.

바람직한 실시예에서, 제어 공차가 전체 작동 범위에 걸쳐 발생된다. 브라케팅 실선들(bracketing solid lines; 901a 및 901b)은 지정된 설정값으로부터 1%의 편차를 나타낸다. 유사하게, 중간 점선들(903a 및 903b)은 지정된 설정값으로부터 3%의 편차를 나타낸다. 마지막으로, 외부 실선들(905a 및 905b)은 지정된 설정값으로부터 5%의 편차를 나타낸다.

듀얼 스테이지 CFV(10) 및 그것의 제어기(320)에서 구현된 개선사항들로 인해, 듀얼 스테이지 CFV(10)의 바람직한 실시예들은 극히 정확하고 완전한 범위의

유량을 달성할 수 있고, 특히 약 1% (및, 특별히 주의하여 품질 제어하여, 1% 미만)의 설정값 정확도를 달성할 수 있다. 바람직한 CFV(10)의 다른 양태들과 결합된 제2 스테이지(30)의 쵸크 흐름 양태들이 주어지면, 도시된 실시예를 위해 160:1의 턴·다운비가 쉽게 달성될 수 있는 한편, CFV(10)의 제조 동안 특별히 주의한 품질관리(QC)에 의해 전체 영역의 설정값 정확도를 또한 3% 미만 및 심지어 약 1% 미만의 범위로 할 수 있다. 이는 이러한 정확도가 높은 유량 범위에서 뿐만 아니라, 전형적으로 약 0.25 g/s로 공회전하는 작동 범위에서의 유량의 최하단, 및 작동 범위의 나머지 부분에 걸쳐 달성된다는 것을 의미한다.

큰 동적 출력 범위 및 CFV 턴·다운비

바람직한 조합들은 또한 0.1g/시간∼40g/초 범위의 연료 흐름에 대해 이러한 설정값 정확도를 달성할 수 있다. 그러나, 이 대안적인 실시예는 반드시 그러한 작동 파라미터들을 달성하는 것은 아니라는 것을 인식해야 한다. 바람직하게는 도 6 및 8의 상호 제어 전략들을 관리하고 및/또는 서로 다른 범위의 작동 조건들에 대한 서로 다른 제어 전략들 사이에서 선택하는 공통 마이크로프로세서(320)에 의해 제어된 듀얼 스테이지 CFV(10)에서, 60:1 또는 그 이상의 턴·다운비를 달성하는 것이 바람직하지만, 그 바람직한 범위 내 어딘가에 있는 범위들은 바람직한 대안적인 실시예들에서 사용될 수 있다.

제2 스테이지(30)에 대한 특정의 턴·다운비 공헌도는 바람직하게는 30:1 또는 그 이상인 반면, 50:1의 턴·다운비는 더욱 바람직하게는 제2 스테이지(30)의 가장 바람직한 실시예에 의해 제공된다. 그 결과, 본 발명의 대안적인 CFV 실시예들의 달성가능한 전반적인 턴·다운비는 200:1(제1 스테이지에 대한 4:1과 제2 스테이지에 대한 50:1의 합성)을 넘지 않는 정도 만큼 높게 도달할 수 있으며, 이것은 가장 큰 동적 출력 범위의 애플리케이션에 필요한 것보다 훨씬 높다.

도면들에 도시된 실시예에서, 제1 스테이지(20)는 4:1의 턴·다운비를 갖고 제2 스테이지(30)는 40:1의 턴·다운비를 가지며, 이로써 동적 출력 범위는 160:1이 된다. 다른 턴·다운비들은 대안적인 실시예들의 범위 내에서 달성될 수 있지만, 특정의 대안적인 실시예들은 작동 범위의 양 단부 및 작동 범위에 걸쳐서 매우 정밀한 연속류 제어(및, 그에 따른 동력 제어)를 유지하면서, 즉 목표하는 유량과의 편차가 1% 미만인 실제 유량을 실현하면서 60:1의 턴·다운비를 달성한다. 또한, CFV 시스템의 바람직한 실시예들은 막히기 쉬운 정도의 작은 어떠한 오리피스도 갖고 있지 않으며, 따라서 CFV 시스템은 연료 오염물에 의해 비교적 영향을 받지 않지 않는다.

전체 작동 범위에 걸쳐 의도된 흐름 곡선(900)(즉, 밴드(901) 내에 실제 유량을 생성하는)으로부터 1% 편차 이내의 설정값 정확도가 요구되고, 이 설정값 정확도는 제조 중에 각별한 주의를 기울이기만 하면 CFV(10)의 바람직한 실시예들의 사용을 통해 달성될 수 있다. 실제로, 중앙 밸브 부재(125)와 같은 제어부재들의 제조상 편차, 압력 누출 및 축적된 마모, 및 CFV(10) 및 엔진(270)의 다른 변화성들은 전체 흐름 곡선(900)에 걸쳐 때때로 밴드(901)의 외부에 있지만 항상 3%의 설정값 정확도 밴드(903) 내에 있는 실질적인 결과를 일으킬 수 있다. 그러나, 심지어 3%의 편차에도, 전체 흐름 곡선에 걸쳐 이러한 허용공차 밴드들(901, 903 및 905)에의 연료 흐름을 제어하기 위한 능력은 당업자에 의해 이 분야에서, 특히 기울기가 훨씬 평평한 흐름 곡선의 하단부에 신규성이 있는 것으로 즉시 인정될 것이고, 그리고 스트로크 거리의 비교적 큰 변화가 유량의 최소 변화를 초래하는 것이 바람직하다.

현재 이용가능한 가스 유량 제어장치는 1%의 설정값 정확도를 요구하지만, 그것들은 일반적으로 단지 작동 범위의 상단부에서 그만큼 달성하며, 여기서 1%의 정확도는 맞히기에 훨씬 더 크고 더 쉬운 수이다. 이용가능한 CFV 제어 시스템들은, 그 범위가 어느 정도 고려될 수 있을 때, 그들의 전체 작동 범위에 걸쳐 5%의 설정값 정확도도 유지할 수 없고, 큰 동적 출력 범위 애플리케이션들에 대하여는 더욱 그러하다.

대조적으로, CFV(10) 및 많은 다른 실시예들은 거의 모든 차량 애플리케이션들에서 고도의 정밀한 설정값 정확도를 달성할 수 있다. 이 가능성은 그 작동 범위의 상반부에 비해 그 작동 범위의 하반부에 상대적으로 작은 기울기(즉, 수평에 더가까운)의 흐름 곡선(900)을 생성하는 제2 스테이지 성능 특성들에 부분적으로 달성된다. 이러한 성능 특성의 보다 상세한 양태들은 도 9에 도시된 곡선(900)의 신중한 검토를 통해 당업자에 의해 이해될 수 있다.

예를 들어, 흐름 표면(1100)은, 예를 들어 0 내지 4mm 범위의 스트로크 거리에 대해 흐름 곡선이 수평으로 접근하는 경우 표시된 것처럼, 비교적 낮은 흐름 설정들을 위해 액츄에이터 스트로크의 밀리미터 당 유량에서 비교적 작은 증가를 제공한다. 전체 스트로크 범위에 걸쳐 바람직하게는 3%의 의도된 설정값 이내 그리고 더욱 바람직하게는 1%의 의도된 설정값 이내의 이 엄격한 유량의 제어는 부분적으로 제2 스테이지 유량 밸브의 형상 때문에 달성할 수 있다. 여기서, 중앙 밸브 부재 프로파일 형상은 그 형상이 전체 스트로크 범위에 걸쳐 미세하게 조정되고 지속적으로 변화할 수 있도록 팁에 있는 지점을 향해 지속적으로 가늘어진다. 또한, 제조시, 실제값이 각각의 개별 밸브 및 중앙 밸브 부재 조립체(125)에 대해 유량을 미세하게 조정하는데 이용될 수 있도록, 중앙 밸브 부재(125)의 형상은 매 0.5mm에서 그의 연결된 제한 오리피스와 조합하여 보정된다. 이러한 미세 조정은 또한 전체 흐름 곡선 범위에 걸쳐 원하는 미세 조정된 제어를 달성하는데 도움이 된다. 마찬가지로, 이러한 낮은 흐름 설정에서의 쵸크 흐름의 유지에 가장 기여하는 것은 거의 순간 유량 제어를 달성하는 제2 스테이지(30)의 능력이다.

이들 설명의 나머지 명세서에서 도 9를 고려하면, 쵸크 흐름이 CFV(10)에 의해 낮은 유량에서 그리고 큰 동적 출력 범위 애플리케이션들의 전체 작동 범위에 걸쳐 3%∼5% 범위의 설정값 정확도 내에서 달성되고 유지될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다.

또한, 제2 스테이지 곡선에 의해 제안된 이점들은 제1 스테이지 제어(20)의 이점들에 의해서, 또한 PCB(40)의 인-블록 마이크로컨트롤러(320)에 의해 결정된 CFV의 마스터 로직에 의해서 합성되는 것으로 인식되어야 한다. 곡선(900)은 특정 단간 압력(P₂)의 특징을 나타내지만, PCB(40)는 제1 스테이지(20)의 조작을 통해 그 단간 압력(P₂)을 변화시킴으로써 도 9에 도시된 해당하는 유량 레벨에 대한 비교가능한 정확도로 유량의 범위를 늘릴 수 있다. 추측컨대, 제1 스테이지(20)에 대해 4:1의 바람직한 턴·다운비가 주어질 경우, 유량의 더 큰 범위는 도 9에 도시된 범위의 대략 4배까지 될 것이지만, 여전히 더 큰 범위에 걸쳐 비교가능한 설정값 정확도를 달성한다.

제2 스테이지 흐름 제어 표면

도 10a, 10b, 10c, 및 10d는 중앙 밸브 부재(125)의 실시예에 관한 4개의 도면들, 구체적으로는 측면도, 평면도, 단면도 및 측면도를 각각 나타낸다. 중앙 밸브 부재(125)는 한 길이방향 단부에 있는 회전 흐름 제어 표면(1100), 그의 다른 길이방향 단부에 있는 더 좁은 액츄에이터 스템(115), 및 이들 사이의 기계적 스톱 조립체(1200)를 구비한 하나의 가늘고 긴 밸브 부재이다. 액츄에이터 스템(115)은 액츄에이터(430) 내에 슬라이딩가능하게 끼워지는 크기를 가지며, 그 길이방향 위치는 그 액츄에이터(430)의 조작에 의해 제어(즉, 길이방향으로 구동 또는 이동)된다. 스템(115) 사이의 공간은 액츄에이터(430)을 통한 연료 누출의 위험을 최소화하면서 또한 스템(115)의 조작 동작을 구속하는 위험을 최소화하기 위해 엄격한 공차로 제작된다. O링, 부싱, 목걸이 등은 스템(115)와 액츄에이터(430) 간에 상호 작용을 최적화하기 위해 또한 사용될 수 있다.

중앙 밸브 부재의 회전 흐름 제어 표면(1100)은 중앙 부재(125)와 제2 스테이지 밸브 오리피스(135) 사이의 반경방향의 균일한 유효 개구를 정의하기 위해, 제1 스테이지(20)로부터의 기체 연료의 흐름(351) 내에서 제2 스테이지 밸브 오리피스(135)와 동심으로 작동가능하게 위치된다. 스템(115)을 통해 액츄에이터(430)에 의해 제어되는 이 회전 흐름면(1100)의 길이방향 위치는 이 표면(1100)과 오리피스(135) 사이의 반경방향으로 균일한 유효 개구의 유효한 면적을 차례로 제어한다.

도 10d를 참조하면, 흐름면(1100)의 형상은 그의 작동 위치의 범위에 걸쳐 일관된 유량 설정값 정확도를 가능하게 한다. 참고로, 도 10d에 도시된 것과 같은 형상은 흐름 제어면(1100)의 회전 형상의 세부사항들을 집합적으로 정의하는 모든 (중심 축(126)에 대한) 동심 부분들인, 흐름 제어면(1100)의 8개의 순차적으로 인접한 부분들(1210,1220,1230,1201,1240,1250,1260,1270)에 대해 논의될 수 있다. 도 10d에 확대되어 있지만, 표면(1100)은 표면(1100)의 기단부(proximal end; 1210)로부터 단지 약 6mm에 위치된 반경방향으로 불룩한 부분(1201)과 함께 그의 기단부(1210)로부터 그의 하류 팁(1202)의 말단부까지 약 25 내지 30mm의 전체 길이를 갖는다.

표면(1100)의 회전 형상의 가장 넓은 치수는 반경방향으로 불룩한 부분(1201)의 중간에 있으며, 이것은 바람직하게는 직경이 약 10mm이고 오리피스(135)의 직경보다 더 크다. 또 하나의 참고 치수로서, 천이부(1250)는 약 7.5 mm의 직경을 가지며, 이는 오리피스(135)의 직경보다 더 작다. 2개의 축방향으로 가장 얇은 부분은 베이스부(1210)와 천이부(1250)이며, 이 둘은 일정한 직경이지만 축방향 치수가 약 1mm에 불과하고 원통형 디스크에 상당하는 형상을 각각 제공한다. 이들 두 원통형 디스크 부분(1210,1250)은, 천이부(1250)가 베이스부(1210)보다 큰 직경을 갖더라도, 반경 방향으로 불룩한 부분(1201)의 직경의 절반 내지 4분의 3 사이의 직경을 갖는다.

반경 방향으로 불룩한 부분(1201)은 도 10d의 볼록한 외형을 갖는다. 두 부분(1260,1270)은 표면(1100)의 길이 대부분을 정의하도록 결합되고, 또 둘은 도 10d의 약간 볼록한 외형을 가지면서도 일반적으로 원추형이다. 대조적으로, 두 부분(1220 및 1240)은 도 10d의 볼록한 외형을 갖는 반면, 부분(1230)은 실질적으로 원뿔형이다.

그 형상의 기타 특징들이 도 10a 내지 도 10d의 주의깊은 검토로부터 분명해질 것이지만, 그 형상의 여러 양태들은 주목할 만하다. 예를 들어, 부드러운 반경방향 팽창부(1201)는 제1 트래블 스톱들(travel-stops; 1200a 및 1200b)이 고장난 경우에는 불필요한(redundant) 트래블 스톱을 제공한다.

회전 흐름면(1100)은, 바람직한 실시예에서, 그의 기단부(proximal end at base;1210)로부터 팽창부(1201)까지, 궁극적으로는 돌출 팁(1202)까지 연장하는 곡률의 기능성을 표현하는 벨 형상의 특징을 포함할 수 있다. 구체적으로, 중앙 밸브 부재(125)의 직경은 그것이 반경방향 팽창부(1201)에 도달할 때까지 그 기단부로부터 평탄하게 확장할 수 있다. 중앙 밸브 부재(125)의 팽창부(1201)로부터, 중앙 밸브 부재(125)의 직경은 궁극적으로 돌출 팁(1202)의 지점까지 가늘어지면서 지속적으로 감소할 수 있다.

표면(1100)의 기단부로부터 팽창부(1201)까지의 점진적인 곡률 진행(curvature running)은, 좌측에서 우측으로 방향성있게 흐르는 중앙 밸브 부재(125)로부터의 기체 연료의 흐름을 수용하기 위해 각도가 부드럽게 증가하며, 이는 도 10a, 10b, 10c, 및 10d의 바람직한 실시예에서 제시되어 있다. 축(115)으로부터 중앙 밸브 부재(125)를 따르는 가스 유체의 흐름은 큰 압력 상승(pressure spikes)을 초래할 수 있다. 그 결과, 중앙 밸브 부재(125)의 지속적으로 확대되는 직경과 함께 부드러운 각도의 곡률로 인해 가스 유체 및 연속류의 증가된 부피를 수용할 정도로 확장될 수 있다.

중앙 밸브 부재(125)의 팽창부(1201)로부터 직경이 중앙 밸브 부재(125)의 팁(1202)까지 일관되게 지속적으로 감소한다. 우선, 팽창부(1201)로부터 직경이 초기에 모서리에서 급격하게 감소하지만, 그 결과 직경이 보다 점점 감소하여 팁(1202)의 배이스에 도달한다. 팁(1202)의 베이스로부터 팁의 끝단까지, 또 한번 직경은 보다 급격히 감소하여 끝단의 단일 지점까지 가늘어진다.

중앙 밸브 부재(125)의 흐름면(1100)의 불록한 외형은 그것의 성능 특성들을 가능하게 한다. 흐름면(1100)의 전체 길이를 따라 지속적으로 변화되고, 축(115)에서 팽창부(1201)까지 직경이 지속적으로 증가하고 나서 팽창부(1201)로부터 팁(1202)까지 직경이 감소하는 것의 조합인 불룩한 형상은 CFV(10) 의 작동 전체 범위에 걸쳐서 층류를 충분히 유지하기 위해, 그리고 원하는 설정값 정확도를 달성하기 위해 가스 유체의 흐름 프로파일을 관리하는데 도움을 준다. 쵸크 흐름을 달성하면서 유효 오리피스 면적을 제어함으로써, CFV(10)는 정밀한 흐름 제어를 바람직하게 달성하도록 조작될 수 있다. 따라서, 중앙 밸브 부재(125)가 오리피스(135)와 동심이기 때문에, 중앙 밸브 부재(125)를 통한 흐름의 양은 유효 면적에 상응한다.

오리피스(135)는 실제 오리피스(135)의 하류에 원추방향으로 발산하는 형상을 갖는 바람직한 실시예에서의 사각면 형상(square-faced)의 오리피스이지만, 본 발명의 양태들은 대안적인 실시예들에서 다른 유형의 밸브 또는 오리피스들과 함께 사용될 수 있음을 유의해야 한다. 예를 들어, 오리피스(135)의 사각면 형상의 유형 대신에, 청구범위에 포함될 수도 포함되지 않을 수도 있는 일부 절충안들에 따라, 대안적인 실시예들은 목을 향하여 평탄하게 수렴되는 벤츄리 형상을 갖는 노즐을 사용할 수 있으며, 그에 따라 오리피스로의 입구는 평탄하게 수렴되는 한편 오리피스의 출구는 평탄하게 발산된다. 마찬가지로, 오리피스(135)와 출구(70) 사이의 유체 통로의 바람직한 실시예는 오리피스(135)의 흐름 하류의 바람직한 확산을 허용하는 다소 원추형의 발산으로 도시된 반면, 이러한 대안적인 형상을 가정하면 많은 대안적인 형상들은 제2 스테이지(30)로부터 방출을 안내하기 위해 대체될 수 있으며, 그 결과 생성된 흐름 특성은 여전히 본 발명의 일부 이점을 가능하게 하는 방식으로 관리될 수 있다.

대체 연료

이러한 목적을 위한 기체 연료는 기준이 되는 작동 온도 및 압력에서 기체 상태인 연료를 의미한다. 현재의 바람직한 실시예들에서, 기체 연료는 액화 천연 가스(LNG) 또는 압축 천연 가스(CNG) 저장 상태로부터 얻은 천연 가스이다. 가장 바람직한 실시예들은 이러한 연료와 함께 사용하도록 구성되어 있지만, 대안적인 실시예들의 다른 연료들을 가지고 본 발명의 양태들을 사용하는 구성들은 당업자에게 자명할 것이다. 이러한 대안적인 실시예들은 예를 들면 수소 또는, 액화 석유 가스(LPG) 혼합물과 같은 것들을 포함하는, 프로판, 부탄, 또는 다른 가스 혼합물과 같은 다른 기체 연료들과 함께 사용하도록 구성된다. 실제로, 본 발명은 바람직한 실시예들이 적용되는 특정 분야에 초점을 맞추고 있지만, 본 발명의 일부 양태들은 또한 다른 분야에서도 또한 혁신적인 것으로 확인될 수 있다.

일반적인 대안들

상기의 설명과 도면이 당업자로 하여금 현재 본 발명의 최상의 형태로 간주되는 것을 만들고 사용할 수 있도록 하여야 하는 반면, 그것들은 모든 점에서 제한적인 방법이라기 보다 오히려 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 당업자는 전부를 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 만들어질 수 있는 아니라 하더라도, 수많은 수정, 변경, 변형, 조합, 재배열, 치환, 대체, 설계 선택, 및 균등물(˝대안들˝)의 존재를 이해하고 인정할 것이다.

따라서, 본 발명이 기술된 실시예들 및 예시들에 의해 제한되지 않지만, 오히려 관련 심사과정 중에 청구범위가 보정되거나, 대체되거나 또는 달리 수정될 수 있기 때문에, 청구범위의 유효 범위와 사상 내의 모든 가능한 실시예들을 포함한다. 임의의 현재의 보정된, 또는 부가된 청구항들은 지금 공지되거나 나중에 발견되든지 간에, 당업자에게 자명할 수 있는 모든 추가적인 수정, 변경, 재배열, 치환, 대체, 설계 선택, 및 실시예들을 수용하도록 해석되어야 한다. 어떤 경우에도, 모든 균등물은 심사과정 동안 명백히 포기된 정도까지, 또는 종래기술에 비추어 특정 청구항들의 유효성을 보존하기 위해 필요한 정도까지 본 발명의 범위 내에서 고려되어야 한다.

Claims (19)

1. 불꽃 점화식 내연 기관을 위한 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치로서, 상기 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치는 기체 연료 공급 흐름에 대한 순간 요구 유량을 나타내는 엔진 제어 신호에 기초하여 제어된 흐름을 생성하고, 상기 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치는:
   a. 연료 흐름 유입구, 연료 흐름 유출구, 및 상기 연료 흐름 유입구와 상기 연료 흐름 유출구 사이의 연속적인 유체 경로를 정의하는 밸브 블록 조립체;
   b. i) 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치 - 상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치는 제1 스테이지 액츄에이터를 포함함 -, 및 ii) 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치 - 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치는 제2 스테이지 액츄에이터를 포함함 - 를 포함하는 밸브; 및
   c. 상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치 및 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치와 연관되는 로직 컨트롤러를 포함하고;
   d. 상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치, 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치, 및 상기 로직 컨트롤러는 상기 밸브 블록 조립체와 연관되고;
   e. 상기 밸브 블록 조립체는 상기 연속적인 유체 경로의 중간(interstage) 부분 - 상기 중간 부분은 상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치와 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치 사이에 있음 - 을 더 정의하고;
   f. 상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치는 상기 연속적인 유체 경로의 제1 부분을 통한 기체 연료 공급 흐름의 압력을 감소시킬 수 있는 전자 압력 조정기를 포함하고; 그리고
   g. 상기 제2 스테이지 액츄에이터는 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치로부터 배출되는 기체 연료 흐름의 제어된 유량을 생성할 수 있는 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 로직 컨트롤러는 상기 제1 스테이지 액츄에이터 및 상기 제2 스테이지 액츄에이터 둘 다의 작동을 변화시킴으로써 상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치 및 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치의 작동을 상호 의존적으로 조정하도록 프로그래밍되는 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치는 가변 압력 조정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치는 쵸크(choked) 흐름 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 쵸크 흐름 밸브는 흐름 제어 표면과 동축상의 고정된(concentric fixed) 오리피스 사이에서 가변 유효 밸브 개구부(variable effective valve opening)를 정의하는 흐름 제어 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 동축상의 고정된 오리피스는 매끄럽게 수렴되는 유입구 및 매끄럽게 분기되는 유출구를 갖는 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.
7. 제 5항에 있어서,
   상기 제2 스테이지 액츄에이터는 상기 가변 유효 밸브 개구부의 가변 범위에 대응하는 운동 범위를 통해 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치의 작동 요소를 이동시키도록 연결되는 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 작동 요소는 상기 작동 요소의 위치를 결정하는 밸브 위치 센서와 연관되는 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.
9. 제 1항에 있어서,
   상기 제2 스테이지 액츄에이터는 보이스 코일 액츄에이터(voice-coil actuator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.
10. 제 1항에 있어서,
    상기 중간 부분과 연관되는 연료 흐름 상태 변환기를 더 포함하고, 상기 연료 흐름 상태 변환기는 상기 중간 부분과 유체 연통되는 압력 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.
11. 제 1항에 있어서,
    상기 연속적인 유체 경로와 연관하여 위치된 연료 흐름 상태 변환기를 더 포함하고, 상기 연료 흐름 상태 변환기는 상기 연속적인 유체 경로를 통해 흐르는 기체 연료의 온도를 감지하도록 구성된 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.
12. 제 1항에 있어서,
    상기 연속적인 유체 경로의 상기 중간 부분과 연관하여 위치된 연료 흐름 상태 변환기를 더 포함하고, 상기 연료 흐름 상태 변환기는 상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치와 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치 사이에서 유동하는 유체의 압력 및 온도를 감지하기 위해, 상기 밸브 블록 조립체에 위치된 압력 센서 및 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.
13. 제 1항에 있어서,
    상기 로직 컨트롤러는, 상기 연속적인 유체 경로의 상기 중간 부분을 통해 유동하는 상기 기체 연료 흐름을 나타내는 연료 상태들을 감지하도록 위치된 연료 흐름 상태 변환기에 의해 감지되는 상태들에 기초하여 작동하도록, 상기 제2 스테이지 액츄에이터 제어장치를 조정하도록 프로그래밍되는 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.
14. 제 13항에 있어서,
    상기 로직 컨트롤러는 복수의 도출값들(derivations) - a) i) 쵸크 흐름(choked flow)이 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치에서 쉽게 달성될 것이라는 가정하에서 상기 중간 부분에 대한 목표 압력을 결정하는 것; 및 ii) 쵸크 흐름이 상기 중간 부분에서 압력을 증가시키지 않고는 달성될 가능성이 없음을 데이터가 제시하는 경우 목표 압력을 증가시키는 것 중 더 큰 것을 선택함으로써 상기 제 1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치의 제어 루프에 대한 목표 압력을 도출하는 것을 포함함 - 에 부분적으로 기초하여 작동하도록 프로그래밍되는 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.
15. 제 14항에 있어서,
    상기 제어 루프는 하류 압력 피드백 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.
16. 제 14항에 있어서,
    상기 로직 컨트롤러는 교번 제어 로직(alternating control logic)을 갖는 프로세서를 포함하고, 상기 제어 로직은 감지된 연료 상태값 및 유량 및 제1 상호 의존 알고리즘 및 제2 상호 의존 알고리즘에 기초하여 이상적인 출력 제어 파라미터들을 동시에 및 연속적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.
17. 제 16항에 있어서,
    a) 상기 제1 상호 의존 알고리즘은 제1 세트의 가정에 기초하고;
    b) 상기 제2 상호 의존 알고리즘은 상기 제1 세트의 가정과 충돌할 수 있는(potentially in conflict with) 제2 세트의 가정에 기초하며; 그리고
    c) 상기 교번 제어 로직은 상기 제1 스테이지 액츄에이터 및 상기 제2 스테이지 액츄에이터 둘 다의 순간 위치를 제어하기 위해, 상기 제1 상호 의존 알고리즘과 상기 제2 상호 의존 알고리즘에 의해 결정된 이상적인 작동 출력 제어 파라미터들 중에서 지능적으로 선택(intelligently choose)하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.
18. 불꽃 점화식 내연 기관을 위한 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치로서, 상기 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치는 기체 연료 공급 흐름에 대한 순간 요구 유량을 나타내는 엔진 제어 신호에 기초하여 제어된 흐름을 생성하고, 상기 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치는:
    a. 연속적인 유체 경로를 갖는 밸브 - 상기 밸브는 적어도 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치 및 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치를 포함하고, 상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치는 제1 스테이지 액츄에이터를 포함하고, 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치는 제2 스테이지 액츄에이터를 포함함 - ; 및
    b. 상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치 및 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치와 연관된 로직 컨트롤러를 포함하고;
    c. 상기 밸브는 상기 연속적인 유체 경로의 중간 부분을 더 포함하고, 상기 중간 부분은 상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치 및 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치 사이에 있고;
    d. 상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치는 상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름에 대한 제1 턴·다운비에 상응하는 양으로 상기 연속적인 유체 경로의 중간 부분을 통한 상기 기체 연료 공급 흐름의 압력을 감소시킬 수 있는 전자 압력 조정기를 포함하고; 그리고
    e. 상기 제2 스테이지 액츄에이터는 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치에 대한 제2 턴·다운비에 대응하여 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치로부터 배출되는 상기 기체 연료 흐름의 제어된 유량을 생성할 수 있는 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.
19. 불꽃 점화식 내연 기관을 위한 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치로서, 상기 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치는 기체 연료 공급 흐름에 대한 순간 요구 유량을 나타내는 엔진 제어 신호에 기초하여 제어된 흐름을 생성하고, 상기 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치는:
    a. 상기 내연 기관을 향한 상기 기체 연료 공급 흐름의 연속적인 흐름을 허용하기 위한 연료 흐름 유입구, 연료 흐름 유출구, 및 상기 연료 흐름 유입구와 상기 연료 흐름 유출구 사이의 연속적인 유체 경로를 정의하는 밸브 블록 조립체;
    b. 상기 밸브 블록 조립체 내에 적어도 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치 및 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치 - 상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치는 상기 연속적인 유체 경로의 제1 부분을 정의하고, 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치는 상기 연속적인 유체 경로의 제2 부분을 정의하며, 상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치는 제1 스테이지 액츄에이터를 포함하고, 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치는 제2 스테이지 액츄에이터를 포함함 - 를 포함하는 밸브;
    c. 상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치의 상기 제1 스테이지 액츄에이터를 제어하도록 작동적으로 연결된 제1 스테이지 액츄에이터 제어장치;
    d. 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치의 상기 제2 스테이지 액츄에이터를 제어하도록 작동적으로 연결된 제2 스테이지 액츄에이터 제어장치; 및
    e. 상기 제1 스테이지 액츄에이터 제어장치 및 상기 제2 스테이지 액츄에이터 제어장치와 연관된 로직 컨트롤러를 포함하고;
    f. 상기 밸브 블록 조립체는 상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치, 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치, 및 상기 로직 컨트롤러를 포함하고;
    g. 상기 밸브 블록 조립체는 상기 연속적인 유체 경로의 중간 부분 - 상기 중간 부분은 상기 연속적인 유체 경로의 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에 있음 - 을 더 정의하고;
    h. 상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치는 전자 압력 조정기를 포함하고;
    i. 상기 제2 스테이지 액츄에이터는 밸브 개구부의 하류에서 감지된 상태에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 밸브 개구부의 유효 영역을 변화시키도록 동작할 수 있는 액츄에이터이고;
    j. 상기 로직 컨트롤러는 상기 제1 스테이지 액츄에이터 및 상기 제2 스테이지 액츄에이터 둘 다의 작동을 변화시킴으로써 상기 제1 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치 및 상기 제2 스테이지 기체 연료 흐름 제어장치의 동작을 상호 의존적으로 조정하도록 프로그램되는 것을 특징으로 하는 정밀한 기체 연료 흐름 제어장치.

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