燃气比例阀中气门组件结构的优化设计

蒋小波 袁金魁 甘婵芳

（广东万和热能科技有限公司 佛山 528300）

前言

在燃气热水器中，控制燃气通断/调节的燃气比例阀有各种结构形式，在中国目前市场上使用最多的是带关闭功能的动永磁式燃气比例阀，该阀由于性价比高、制造工艺简单、燃气质量容纳度高等特点，广受各整机厂的选用。

燃气热水器在市场上表现点火失败的故障原因很多，在确认是燃气比例阀故障导致时，除了出口压力偏小，基本是控制阀门不开阀导致。然而在故障处理时，由于售后人员的基本上是通过更换新阀体或拆开开关阀，故障消除，所以大多数售后的反馈的数据都是阀门粘阀。由于售后人员的专业水平及关注度不一样，从而使技术人员没有识别到真正的不良原因。市场上因不开阀导致点火失败现象并没有得到很好的改善。

1 燃气比例阀的结构、工作原理

带关闭功能的动永磁式燃气比例阀，由一个阀体组件、开关阀、比例调节阀（带稳压装置）三大部分组成。如图1。

图1 燃气比例阀结构示意图

工作原理：在未工作时，二个阀门皆处于关闭状态，当燃气从进气口进入阀体后，给开关阀电磁线圈通电产生吸力拉起阀门，实现开阀，燃气穿过一道阀体进入第二道阀门，比例调节阀电磁线圈通电产生与永磁相同极性的排斥力推动气门组件开阀，进入燃烧室。开关阀实现燃气通断，保证燃气进气燃烧用具的第一道密封；比例调节阀内设有调压装置、稳压装置，实现出口压力的大小调节、稳定控制及第二道密封要求。

2 故障分析、改善方案

2.1 故障确认分析

带关闭功能的动永磁式燃气比例阀不开阀现象，检测线圈电阻值正常、通入额定电压/电流测试，开关阀、比例调节阀都不能正常开阀。基本上可以判定为一、二道阀间有负压，吸住阀门无法开阀。

确认阀腔内部负压方法：打开比例调节装配的比例线圈组件及阀盖，观察膜片形变：膜片弧度凸起部分向阀体内腔凹进去（如真空现象），如图2所示；此时用钢丝挑起膜片边缘（阀盖压缩位置），使内腔与大气压连通，膜片恢复凸起。装回比例线圈组件及阀盖，测试开关阀、比例调节阀电压/电流应能正常开阀。

图2 负压气门形变示意图

如图3，比例阀在关阀时的受力情况： F磁+F簧+F2=F重+ F1+F+F支（其中 F=0）；给线圈通电 F增大到一定值时，克服F磁、F簧，实现开阀，此时受力关系式可写成：F磁+F簧+F2˂ F重+ F1+F+F支（其中F支=0）。在关阀时负压产生并不断增大，稳压作用的橡胶膜片由于厚度薄且结构细长，形变量相对较大； 使负压作用在膜片的受力面积变小，从而使F1变小；此时F2大于F1， F不变的情况下，更不利于开阀。

图3 气门组件受力分析示意图

2.2 改善方法

目前实验及反馈证明：在通过液化石油气后燃气比例阀一、二道阀门间产生负压，负压超过一定值后，导致阀门无法开阀。负压产生的真正原因相对复杂且较难分析到根本原因，故设法在结构上进行改良，将负压值控制在一定范围内，避免负压增大，从而解决不开阀的问题。

比例阀在关阀并有负压产生时的受力简写为：F磁+F簧+F2=F重+ F1+F支（线圈不通电F=0），由于F磁+F簧、F重+F支是一对平衡力，只有变量F1、F2； 负压在阀腔内各处的压强相同，故可通过改变F1、F2的压力面积关系来保证开阀条件，使其满足：F2˂F1；因F=P·S,故关系式变成：S2˂S1；也就是说满足负压作用在膜片上有效受力面积大于阀口受力面积，可实现自动泄压。

在气门组件膜片底部增加一个限位装置，如图4，气门组件在封阀条件下负压产生并开始增大后，橡胶膜片由于厚度薄且结构细长，凸起的孤面开始向阀腔内发生形变，当形变使其接触限位装置时，此时负压作用在膜片的压强由于受力面积S1变成S1′，使F1增大，当其克服F2作用在气门组件上，推动阀门开阀，从而实现泄压。

图4 带限位装置负压气门形变示意图

此结构通过限位装置增大负压压强的受力面积，使作用在橡胶膜片上的力增大，实现负压达到一定值时自动泄压。这个结构简单、可制造性高，正压不影响阀门封阀，负压达到一定值后橡胶膜片压迫限位结构，限位结构推动气门开阀，使阀腔内外压强平衡，从而实现负压自动泄压。

2.3 改善方案验证

制作气门组件A、B、C、D四个样件（如图5），样A：膜片下无限位、样B/C/D:限位高度X分别为1H 。

图5 气门组件样件示意图

将4个样件分别装在同一个燃气比例阀总成上。按图6方法连接，在燃气比例阀一、二道阀门间采压，并使一、二道阀门保持关闭状态，用注射器以50 Pa/S的速度往外抽空气，控制燃气比例阀一、二道阀门间负压大小，继续抽空气直到水柱压力不再上升，记录水柱压力最大值、稳定值。

图6 负压验证连接方法

由表1可以看出，当燃气比例阀橡胶膜片无限位时，阀体内负压一直增加；当燃气比例阀有限位时，阀体内负压增加到某值后，会自动下降并稳定在一定值，这一过程可称作为泄压；且随限位高度的增加负压泄压值越低。也就论证了：气门组件橡胶膜片的限位结构，可以有效的实现阀腔内部负压自动泄压。

表1 负压泄压值测试

3 方案应用

对于带关闭功能的比例调节阀，其调节作用的气门组件在橡胶膜片下设置限位结构，可有效解决燃气比例阀内腔负压问题。使得燃气比例阀的对燃气选择性、燃气成份的容忍度更高，从而扩宽了其使用的范围。对于材料成本不断攀升的今天，制造成本的提升将直接影响到产品的竞争力，所以在设计限位结构就显得十分关键。以图3为例，对比二种设计方案优缺点。

3.1 分体结构

在膜片下直接设置一个限位垫。此结构相对原有结构，修改一下气门轴上部装配高度尺寸，增加一个限位垫片。通过打样确认可实现负压自动泄压，如图8所示。

图7 原气门组件结构

图8 气门分体结构

优点：改动小，原材可采用金属或塑料成型；

缺点：增加一个部件带入厚度公差带，不利于燃气稳压一致性的控制；增加的装配工序不利于生产成本控制及增加自动化设备生产成本。

3.2 连体结构

将限位垫与气门套集成一个零件，使气门套即可实现固定密封环又可起到膜片因负压形变的限位。通过打样确认可实现负压自动泄压，如图9所示。

图9 气门连体结构

优点：装配简单，未增加零件及装配工序，更有利于成本控制及自动化设备生产。

缺点：模具改进相对较大。

气门组件结构设计直接影响燃气比例阀比例特性、稳压性、二级气密性等关键性能指标。对比方案二不但有利于生产成本控制、在自动化设备上生产兼容性更强，也利于产品质量的稳定性控制。

4 结论

本文从燃气比例阀着手，分析了燃气比例阀的结构及工作原理，阀腔产生负压后内部结构的变化特点，分析了负压解决方案及验证方法；样件实验验证燃气比例阀在优化结构后，能有效的解决阀腔负压导致无法开阀的问题。并得出以下结论：

1）在燃气比例阀的气门组件的膜片下设置限位装置，可使阀体内腔负压达一定值后自动泄压，从而解决燃气比例阀负压不开阀的问题。

2）限位高度与膜片高度差越小，负压泄压值越小。

3）气门组件中改善负压的限位装置、密封件固定装置集成，更有利于成本控制及自动化生产。