DE102004046502A1 - Fuel tank pressure determining device for aircraft, has arithmetic and logic unit calculating partial pressure and mixing proportion between air and fuel and control unit outputting signal when value of pressure exceeds limit value - Google Patents

Fuel tank pressure determining device for aircraft, has arithmetic and logic unit calculating partial pressure and mixing proportion between air and fuel and control unit outputting signal when value of pressure exceeds limit value Download PDF

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Gerhard Dr.rer.nat. Müller
Ulrich Dr.rer.nat. Schmid
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Airbus Defence and Space GmbH
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    • B60K15/03—Fuel tanks
    • B60K2015/03328—Arrangements or special measures related to fuel tanks or fuel handling
    • B60K2015/03381—Arrangements or special measures related to fuel tanks or fuel handling for preventing explosions

Abstract

The device has a temperature sensor (12) for determination of temperature of liquid fuel in a fuel tank. A pressure sensor (13) is provided for determination of pressure in vapor phase of the fuel tank. An arithmetic and logic unit (14) calculates partial pressure and mixing proportion between air and fuel in the fuel tank from values of pressure of oxygen. A control unit outputs a signal when value of pressure exceeds limit value. An independent claim is also included for a method for avoiding fuel tank explosions in an aircraft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermeidung von Brennstofftankexplosionen bei Luftfahrzeugen.The The invention relates to an apparatus and a method for avoidance of fuel tank explosions in aircraft.

Der Brennstofftank eines Luftfahrzeugs enthält in der Regel flüssigen Brennstoff, zum Beispiel Kerosin, und im Übrigen eine Gasatmosphäre, die im Wesentlichen aus atmosphärischer Luft besteht. In dieser Luft gelöst ist auch ein erheblicher Anteil an Brennstoff. Dabei besteht die Gefahr, dass die Gasatmosphäre innerhalb des Brennstofftanks selbstentzündend bzw. explosiv wird.Of the Fuel tank of an aircraft usually contains liquid fuel, for example, kerosene, and by the way a gas atmosphere, which is essentially atmospheric Air exists. Solved in this air is also a significant proportion of fuel. There is the Danger that the gas atmosphere becomes self-igniting or explosive within the fuel tank.

Um diese Gefahr zu vermeiden, sind im Stand der Technik explosionshemmende bzw. explosionsunterdrückende Schäume bekannt, die in den Treibstofftank oder Brennstofftank eines Flugzeugs integriert werden. Ein Beispiel hierfür ist beschrieben in dem Artikel von G.F. Salamy, "Explosion supressant arresting foam", Aerospace Engineering, Januar/Februar 2003. Diese bekannte Technik hat jedoch den Nachteil, dass das Gewicht merkbar erhöht wird, da die gesamte interne Struktur des Brennstofftanks oder zumindest die bekannten Hotspots, die Ausgangspunkt für Explosionen sein könnten, abgedeckt sein muss. Weiterhin ist das Einbringen der Schäume mit einem sehr großen Aufwand verbunden.Around To avoid this danger are explosion-inhibiting in the prior art or explosion-suppressing foams known, which integrates into the fuel tank or fuel tank of an aircraft become. An example of this is described in the article by G.F. Salamy, "Explosion arresting foam", Aerospace Engineering, January / February 2003. However, this known technique has the disadvantage that the weight increases noticeably is because the entire internal structure of the fuel tank or at least the known hotspots, which could be the starting point for explosions, be covered got to. Furthermore, the introduction of the foams with a great deal of effort connected.

In dem Artikel von Francis Fiorino: "Reducing Risks", Aviation Week and Space Technology, August 4, 2003, wird ein System beschrieben, bei dem durch Zuführung von Inertgas der Sauerstoffgehalt im Brennstofftank herabgesenkt wird. Dazu müssen jedoch ständig große Mengen an Stickstoff dem Tank zugeführt werden.In the article by Francis Fiorino: "Reducing Risks", Aviation Week and Space Technology, August 4, 2003, a system is described in which by supplying Inert gas, the oxygen content in the fuel tank is lowered. But you have to constantly size Amounts of nitrogen are added to the tank.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zum Einsatz in Luftfahrzeugen geeignete Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren anzugeben, womit in Brennstofftanks von Luftfahrzeugen das Brennstoff-Sauerstoff-Verhältnis außerhalb des kritischen explosiven Bereichs gehalten werden kann.It The object of the present invention is to be used in Aircraft suitable device and a corresponding method indicating, in fuel tanks of aircraft, the fuel-oxygen ratio outside of the critical explosive area.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Vermeidung von Brennstofftankexplosionen ist insbesondere für Luftfahrzeuge geeignet und umfasst mindestens einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur einer Gasphase in einem Brennstofftank, einer Einrichtung zur Bestimmung der Temperatur eines flüssigen Brennstoffs im Brennstofftank, eine Recheneinheit, die aus den Werten für Druck und Temperatur den Sauerstoffpartialdruck und/oder das Mischungsverhältnis zwischen Luft und Treibstoff im Brennstofftank berechnet und mit mindestens einem zuvor definierten Grenzwert vergleicht, und eine Steuereinheit zur Ausgabe eines Signals bei Überschreiten des Grenzwertes. Die Einrichtung zur Bestimmung der Temperatur des flüssigen Brennstoffs ist vorzugsweise ein Temperatursensor oder ein Druck- bzw. Füllstandssensor zur Bestimmung des Brennstoff-Temperaturprofils aus den Materialparametern.The inventive device to avoid fuel tank explosions is especially for aircraft suitable and comprises at least one temperature sensor for determining the Temperature of a gas phase in a fuel tank, a device for determining the temperature of a liquid fuel in the fuel tank, a Arithmetic unit, which uses the values for pressure and temperature Oxygen partial pressure and / or the mixing ratio between Calculated air and fuel in the fuel tank and with at least one previously defined limit value, and a control unit for Output of a signal when exceeded the limit value. The device for determining the temperature of the liquid Fuel is preferably a temperature sensor or a pressure or level sensor for determining the fuel temperature profile from the material parameters.

Durch die Erfindung können Brennstofftankexplosionen vermieden werden. Durch die verschiedenen Sensoren in Verbindung mit der Recheneinheit kann der Sauerstoffpartialdruck in der Gasphase des Brennstofftanks und auch das Mischungsverhältnis zwischen Luft und Brennstoff überwacht werden. Somit kann sichergestellt werden, dass das Mischungsverhältnis außerhalb eines kritischen Bereichs liegt, der durch das sogenannte Lower Explosive Limit (LEL) und das Upper Explosive Limit (UEL) definiert ist. Ist das Mischungsverhältnis nämlich entweder zu fett oder zu mager bzw. liegt oberhalb oder unterhalb des kritischen Bereichs, so besteht keine Explosionsgefahr. Durch die Überwachung des Sauerstoffpartialdrucks bzw. des Mischungsverhältnisses und durch die Ausgabe des Signals können Explosionen sicher vermieden werden.By the invention can Fuel tank explosions are avoided. Through the different Sensors in conjunction with the arithmetic unit may be the oxygen partial pressure in the gas phase of the fuel tank and also the mixing ratio between Air and fuel monitored become. Thus it can be ensured that the mixing ratio outside a critical area, which is defined by the so-called Lower Explosive Limit (LEL) and the Upper Explosive Limit (UEL) defined is. Is the mixing ratio namely either too fat or too lean or lies above or below of the critical area, there is no danger of explosion. By The supervision the oxygen partial pressure or the mixing ratio and by the output of the signal explosions can be safely avoided become.

Bevorzugt wird durch den Temperatursensor die Temperatur an einer Grenzfläche zwischen der Gasphase und dem flüssigen Brennstoff im Brennstofftank bestimmt. Dadurch ergibt sich eine große Genauigkeit bei der Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks.Prefers is the temperature sensor at an interface between the the gas phase and the liquid Fuel in the fuel tank determined. This results in a great accuracy in the determination of the oxygen partial pressure.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird durch den Temperatursensor die Temperatur der Gasphase bestimmt und daraus mit Hilfe der Recheneinheit die Brennstofftemperatur berechnet. Eine Einrichtung zur Bestimmung des Füllstands des Brennstofftanks dient beispielsweise dazu, das Volumen zu ermitteln, um aus den thermischen Materialparametern des flüssigen Brennstoffs und dem Volumen den Temperaturverlauf innerhalb des Brennstoffvolumens zu ermitteln. Es ist aber auch möglich, mit dem Temperatursensor die Temperatur des flüssigen Brennstoffs direkt zu messen.According to one advantageous embodiment of the invention is achieved by the temperature sensor determines the temperature of the gas phase and from it with the help of the arithmetic unit calculates the fuel temperature. A device for determination the level of the Fuel tanks, for example, are used to determine the volume around from the thermal material parameters of the liquid fuel and the volume to determine the temperature profile within the fuel volume. But it is also possible with the temperature sensor the temperature of the liquid fuel directly to measure up.

Vorteilhafterweise sind mehrere Temperatursensoren zur Bestimmung von ein oder mehreren Temperaturgradienten im Brennstoff vorgesehen. Weiterhin können mehrere Drucksensoren zur Messung des Gesamtdrucks in der jeweiligen Gasphase verschiedener Brennstofftanks vorgesehen sein. Durch diese Maßnahmen wird die Genauigkeit bei der Bestimmung des Partialdrucks des Sauerstoffs bzw. des Mischungsverhältnisses zwischen Treibstoff und Luft erhöht.advantageously, are several temperature sensors for determining one or more temperature gradients provided in the fuel. Furthermore, several pressure sensors for measuring the total pressure in the respective gas phase different Be provided fuel tanks. These measures will increase the accuracy in the determination of the partial pressure of the oxygen or the mixing ratio increased between fuel and air.

Bevorzugt bzw. alternativ berechnet die Recheneinheit die Temperatur des flüssigen Brennstoffs im Brennstofftank anhand von Flugdaten. Die Recheneinheit umfasst weiterhin vorteilhafterweise mathematische Modelle, in denen unterschiedliche Flugprofile als Modellparameter abgebildet sind. Dadurch ist es möglich, beispielsweise aus Anfangswerten der Brennstofftemperatur zu einem gegebenen Zeitpunkt, wie zum Beispiel beim Betanken des Flugzeugs, und aus dem anschließenden Flugprofil die Brennstofftemperatur und daraus wiederum den Sau erstoffpartialdruck bzw. das Mischungsverhältnis zwischen Treibstoff und Luft zu bestimmen.Preferably or alternatively, the Re calculates the temperature of the liquid fuel in the fuel tank based on flight data. The arithmetic unit further advantageously comprises mathematical models in which different flight profiles are mapped as model parameters. This makes it possible, for example, from initial values of the fuel temperature at a given time, such as during refueling of the aircraft, and from the subsequent flight profile, the fuel temperature and, in turn, to determine the sow erstoffpartialdruck or the mixing ratio between fuel and air.

Vorteilhafterweise ist ein Aktuator vorgesehen, der bei Erhalt eines Signals von der Steuereinheit die Zuführung eines Inertgases, wie zum Beispiel Stickstoff, in dem Brennstofftank bewirkt. Dadurch ergibt sich eine Steuerung bzw. Regelung, die bewirkt, dass bei Bedarf Inertgas zugeführt wird und somit der Sauerstoffpartialdruck und/oder das Mischungsverhältnis sicher und zuverlässig außerhalb des kritischen Bereichs gehalten wird.advantageously, an actuator is provided which upon receipt of a signal from the Control unit the feeder an inert gas, such as nitrogen, in the fuel tank causes. This results in a control or regulation that causes supplied inert gas as needed and thus the oxygen partial pressure and / or the mixing ratio are safe and reliable outside of the critical area.

Es ist auch möglich, dass die Recheneinheit aus der Temperatur, dem Gesamtdruck, dem Füllstand im Brennstofftank und der Menge an zugeführtem Inertgas das Mischungsverhältnis zwischen Sauerstoff und Brennstoff bestimmt. Durch zusätzliche Parameter wird die Messgenauigkeit bzw. die Genauigkeit der Ergebnisse und damit die Sicherheit noch weiter erhöht.It is possible, too, that the arithmetic unit from the temperature, the total pressure, the level in the fuel tank and the amount of supplied inert gas, the mixing ratio between Oxygen and fuel determined. With additional parameters, the Measuring accuracy or the accuracy of the results and thus the Security increased even further.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vermeidung vom Brennstofftankexplosionen ist insbesondere für Luftfahrzeuge geeignet und umfasst die folgenden Schritte: Bestimmung der Temperatur eines flüssigen Brennstoffs, der sich in einem Brennstofftank befindet; Bestimmung des Gesamtdrucks in einer Gasphase in dem Brennstofftank, die sich oberhalb des flüssigen Brennstoffs befindet; Berechnung des Sauerstoffpartialdrucks im Brennstofftank in der Gasphase aus der Temperatur und dem Gesamtdruck; Vergleich des berechneten Sauerstoffspartialdrucks mit vorbestimmten Grenzwerten; und Ausgabe eines Steuersignals bei Überschreitung von mindestens einem der Grenzwerte Durch die Erfindung ergibt sich die Möglichkeit von Vorwarnungen aufgrund des Sensorsystems sowie eine Regelung und/oder Steuerung bzw. Einstellung des Mischungsverhältnisses zwischen Luft und Treibstoff. Gefahrensituationen können sicher vermieden werden und die Flugsicherheit wird erhöht. Darüber hinaus kann leicht und auf einfache Weise eine Anpassung an unterschiedliche Treibstoffqualitäten und Treibstoffzusammensetzungen erfolgen. Insbesondere erfolgt eine Messung der Werte für LEL und/oder UEL bwz. zumindest eine Messung oder Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Brennstofftanks, sowie ein Vergleich der Messergebnisse mit bekannten, explosionsrelevanten Grenzwerten entsprechend dem Flugprofil. Durch die Sensorsignale kann ein Aktuator angesteuert werden, der durch Zugabe eines geeigneten Mediums das Mischungsverhältnis von Luft zu Treibstoff so beeinflusst, dass keine Explosionsgefahr besteht.The inventive method to avoid fuel tank explosions is especially for aircraft suitable and includes the following steps: Determination of the temperature a liquid Fuel, which is located in a fuel tank; determination the total pressure in a gaseous phase in the fuel tank, which is above the liquid Fuel is located; Calculation of the partial pressure of oxygen in Fuel tank in the gas phase from the temperature and the total pressure; Comparison of the calculated oxygen partial pressure with predetermined limits; and output of a control signal when exceeded of at least one of the limits. The invention results the possibility Alerts due to the sensor system and a scheme and / or Control or adjustment of the mixing ratio between air and Fuel. Hazardous situations can be safely avoided and the flight safety is increased. About that It can easily and easily adapt to different fuel qualities and fuel compositions. In particular, a Measurement of the values for LEL and / or UEL bwz. at least one measurement or determination of the Oxygen concentration in fuel tanks, as well as a comparison the measurement results with known, explosion-relevant limits according to the flight profile. By the sensor signals, an actuator can be controlled by adding a suitable medium, the mixing ratio of Air to fuel influenced so that there is no risk of explosion.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand von 1 beschrieben, die eine Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einem Brennstofftank schematisch zeigt.The invention will be described below by way of example with reference to FIG 1 described schematically showing a device according to a preferred embodiment of the invention in a fuel tank.

1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Vermeidung von Brennstoffexplosionen, die aus einer Anordnung unterschiedlicher Elemente besteht, die zum Einsatz in einem Brennstofftank 20 vorgesehen sind. In diesem Beispiel ist ein flüssiger Brennstoff 21 innerhalb des Brennstofftanks 20 als schraffierte Fläche gekennzeichnet. Oberhalb des flüssigen Brennstoffs 21 befindet sich im Brennstofftank 20 eine Gasphase 22, die aus Brennstoff und Luft bzw. Sauerstoff zusammengesetzt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 umfasst nun mindestens einen Temperatursensor 11 bzw. 12, der zur Bestimmung der Temperatur des flüssigen Brennstoffs 21 in dem Brennstofftank 20 dient. Weiterhin ist mindestens ein Drucksensor 13 zur Bestimmung des Gesamtdrucks in der Gasphase 22 innerhalb des Brennstofftanks 20 vorgesehen. Eine Recheneinheit 14 dient dazu, aus den Werten für Druck und Temperatur, die vom Temperatursensor 11 bzw. 12 und vom Drucksensor 13 übermittelt werden, den Sauerstoffpartialdruck in der Gasphase 22 bzw. das Mischungsverhältnis zwischen Luft und Treibstoff im Brennstofftank zu berechnen und mit zuvor definierten Grenzwerten zu vergleichen. Die Recheneinheit 14 umfasst eine Steuereinheit, die bei Überschreiten des Grenzwerts bzw. bei Eintritt in den kritischen Bereich ein entsprechendes Signal ausgibt. 1 shows a device 10 for avoiding fuel explosions consisting of an arrangement of different elements for use in a fuel tank 20 are provided. In this example is a liquid fuel 21 inside the fuel tank 20 marked as hatched area. Above the liquid fuel 21 is in the fuel tank 20 a gas phase 22 , which is composed of fuel and air or oxygen. The device according to the invention 10 now includes at least one temperature sensor 11 respectively. 12 which determines the temperature of the liquid fuel 21 in the fuel tank 20 serves. Furthermore, at least one pressure sensor 13 for determining the total pressure in the gas phase 22 inside the fuel tank 20 intended. An arithmetic unit 14 is used, from the values for pressure and temperature, by the temperature sensor 11 respectively. 12 and from the pressure sensor 13 be transmitted, the oxygen partial pressure in the gas phase 22 or to calculate the mixing ratio between air and fuel in the fuel tank and to compare it with previously defined limit values. The arithmetic unit 14 includes a control unit that outputs a corresponding signal when the threshold is exceeded or when entering the critical area.

Der Temperatursensor 11 zur Bestimmung der Temperatur des flüssigen Brennstoffs kann sich im Betrieb auch in der Gasphase 22 befinden, wobei in diesem Fall die Recheneinheit 14 die Temperatur des flüssigen Brennstoffs 21 aus der Temperatur der Gasphase 22 berechnet. Zu diesem Zweck ist eine Einrichtung 16 zur Bestimmung des Füllstands vorgesehen, mit der das Volumen des flüssigen Brennstoffs 21 im Tank 20 ermittelt wird, wobei aus dem ermittelten Volumen und weiteren Parametern, wie beispielsweise der Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffs, dem Flugprofil und/oder weiterer Umgebungsparameter mit Hilfe der Recheneinheit 14 die Temperatur des flüssigen Brennstoffs 21 berechnet wird.The temperature sensor 11 for the determination of the temperature of the liquid fuel can also be in the gas phase during operation 22 In this case, the arithmetic unit 14 the temperature of the liquid fuel 21 from the temperature of the gas phase 22 calculated. For this purpose is a device 16 provided for determining the level with which the volume of the liquid fuel 21 in the tank 20 is determined, wherein from the determined volume and other parameters, such as the thermal conductivity of the fuel, the flight profile and / or other environmental parameters using the arithmetic unit 14 the temperature of the liquid fuel 21 is calculated.

Im vorliegenden Beispiel ist der Temperatursensor 12 so im Brennstofftank 20 angeordnet, dass er sich stets im flüssigen Brennstoff 21 befindet und dort direkt die Temperatur misst. Durch diese Vorgehensweise wird mit dem Temperatursensor 12 direkt die Temperatur des flüssigen Brennstoffs 21 bestimmt. Der Temperatursensor 11 zur Temperaturmessung in der Gasphase und der Temperatursensor 12 zur Temperaturmessung im flüssigen Brennstoff 21 können gemeinsam oder alternativ zueinander angeordnet werden.In the present example, the temperature sensor 12 so in the fuel tank 20 arranged that he is always in liquid fuel 21 located there and directly measures the temperature. Through this Vorge The method is used with the temperature sensor 12 directly the temperature of the liquid fuel 21 certainly. The temperature sensor 11 for temperature measurement in the gas phase and the temperature sensor 12 for temperature measurement in the liquid fuel 21 can be arranged together or alternatively to each other.

Optional ist ein weiterer Drucksensor 17 vorgesehen, der zur Messung des Drucks am Boden des Brennstofftanks 20 dient. Dadurch kann der Füllstand durch den hydrostatischen Druck gemessen werden.Optionally, another pressure sensor 17 provided for measuring the pressure at the bottom of the fuel tank 20 serves. As a result, the level can be measured by the hydrostatic pressure.

Die verschiedenen Temperatursensoren 11, 12 und die Drucksensoren 13, 17 sowie die Einrichtung 16 zur Bestimmung des Füllstands sind über elektronische Kommunikationsleitungen 18 mit der Recheneinheit 14 verbunden. In der Recheneinheit 14 sind mathematische Modelle gespeichert, die das Mischungsver hältnis zwischen Treibstoff und Luft bzw. Sauerstoff bei verschiedenen Parametern bzw. Umgebungsbedingungen angeben. Dabei sind beispielsweise unterschiedliche Flugprofile als Modellparameter abgebildet, so dass auch aus den tatsächlichen Flugdaten und z.B. aus einem Anfangswert der Brennstofftemperatur beim Betanken des Flugzeugs die aktuelle Brennstofftemperatur und auch das Mischungsverhältnis bzw. der Sauerstoffpartialdruck berechnet werden kann.The different temperature sensors 11 . 12 and the pressure sensors 13 . 17 as well as the decor 16 to determine the level are via electronic communication lines 18 with the arithmetic unit 14 connected. In the arithmetic unit 14 are stored mathematical models that indicate the mixing ratio between fuel and air or oxygen at various parameters or environmental conditions. In this example, different flight profiles are shown as model parameters, so that also from the actual flight data and eg from an initial value of the fuel temperature when refueling the aircraft, the current fuel temperature and the mixing ratio or the oxygen partial pressure can be calculated.

Der Partialdruck des Sauerstoffs wird mit Hilfe der bekannten Antoine-Gleichung aus der Temperatur an der Grenzfläche zwischen der Gasphase 22 und dem flüssigen Brennstoff 21 und aus dem Druck, der mit dem Drucksensor 13 gemessen wird, berechnet (siehe 1).The partial pressure of the oxygen is determined by the known Antoine equation from the temperature at the interface between the gas phase 22 and the liquid fuel 21 and from the pressure associated with the pressure sensor 13 is measured, calculated (see 1 ).

Die Bestimmung der Temperatur als Voraussetzung zur Bestimmung des Sauerstoffspartialdrucks kann dabei auf drei Arten erfolgen:

  • a) Messung des Füllstands im Brennstofftank 20 mit Hilfe der Füllstands-Messeinrichtung 16 und Messung der Temperatur in der Gasphase 22 mit Hilfe des Temperatursensors 11 und anschließende Berechnung der Brennstofftemperatur aus den gemessenen Werten;
  • b) direkte Messung der Brennstofftemperatur mit Hilfe des Temperaturssensors 12; oder
  • c) Messung der Temperatur der Gasphase 22 mit Hilfe des Temperatursensors 11 und Messung des Drucks mit Hilfe des Drucksensors 17 zur Berechnung des Füllstands.
The determination of the temperature as a prerequisite for the determination of the oxygen partial pressure can be carried out in three ways:
  • a) Measurement of the level in the fuel tank 20 with the help of the level measuring device 16 and measuring the temperature in the gas phase 22 with the help of the temperature sensor 11 and then calculating the fuel temperature from the measured values;
  • b) direct measurement of the fuel temperature using the temperature sensor 12 ; or
  • c) Measurement of the temperature of the gas phase 22 with the help of the temperature sensor 11 and measuring the pressure with the help of the pressure sensor 17 for calculating the level.

Die Recheneinheit 14 ist über eine weitere elektronische Kommunikationsverbindung 19 mit einer Leistungsstufe bzw. Stromversorgungseinheit 30 und über diese mit einem Aktuator 31 verbunden. Der Aktuator 31 ist über eine mechanische Lei tungsverbindung 32 mit einem Behälter 33 verbunden, der ein gasförmiges oder flüssiges Medium zur Inertisierung der Gasphase 22 im Brennstofftank 20 enthält.The arithmetic unit 14 is via another electronic communication link 19 with a power stage or power supply unit 30 and about this with an actuator 31 connected. The actuator 31 is via a mechanical Lei connection 32 with a container 33 connected, which is a gaseous or liquid medium for inerting the gas phase 22 in the fuel tank 20 contains.

Sobald durch die Recheneinheit 14 festgestellt wird, dass der Sauerstoffpartialdruck in der Gasphase 22 ausserhalb der zulässigen Grenzwerte liegt, wird ein Signal erzeugt, dass den Aktuator 31 veranlasst, aus dem Behälter 32 ein Inertgas in den Brennstofftank 20 einzuleiten.Once through the arithmetic unit 14 it is found that the oxygen partial pressure in the gas phase 22 is outside the allowable limits, a signal is generated that the actuator 31 causes, from the container 32 an inert gas in the fuel tank 20 initiate.

Bei der Zuführung des Inertgases, das z.B. Stickstoff ist, wird die Menge des zugeführten Gases bestimmt, beispielsweise durch eine Durchflussmessung in der Leitungsverbindung. Je nach der zugeführten Menge des Inertgases erhöht sich der Partialdruck dieses Gases. Da kein Überdruck erzeugt werden soll, wird über ein Ventil, das in der 1 nicht gezeigt ist, bei Zuführung des Inertgases ein Teil der Gasphase 22 aus dem Brennstofftank 20 abgeführt. Insgesamt verschiebt sich dadurch das Gleichgewicht der Gase bzw. das Verhältnis Treibstoff zu Luft in einen sicheren Arbeitsbereich.When supplying the inert gas, which is for example nitrogen, the amount of gas supplied is determined, for example by a flow measurement in the line connection. Depending on the amount of inert gas supplied, the partial pressure of this gas increases. Since no overpressure is to be generated, is a valve, which in the 1 not shown, when supplying the inert gas, a part of the gas phase 22 from the fuel tank 20 dissipated. Overall, this shifts the balance of the gases or the ratio of fuel to air in a safe work area.

Die Erfindung berücksichtigt, dass das Flugprofil die Treibstoffmenge, die Temperatur- und den Druckverlauf beeinflusst. Dabei beeinfllusst die Temperatur den Absolutwert des Partialdruckes jeder gasförmigen Komponente in der Gasphase 22. Der Gesamtdruck beeinflusst nach dem Daltongesetz die Partialdrücke. Das gebildete Treibstoff-zu-Luft-Gemisch wird mit dem UEL (Upper Explosive Limit) und dem LEL (Lower Explosive Limit) verglichen.The invention takes into account that the flight profile affects the amount of fuel, the temperature and the pressure curve. In this case, the temperature influences the absolute value of the partial pressure of each gaseous component in the gas phase 22 , The total pressure influences the partial pressures according to the Daltongesetz. The formed fuel-to-air mixture is compared with the UEL (Upper Explosive Limit) and the LEL (Lower Explosive Limit).

Eine Berechnung des Treibstoff-/Luftgemisches anhand von Flughöhe und Treibstoffmenge ist nur eingeschränkt möglich, da Temperatur und Druck im Flugprofil variabel sind. Deshalb ist eine Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks gemäß der vorliegenden Erfindung notwendig.A Calculation of fuel / air mixture based on altitude and fuel quantity is limited possible, because temperature and pressure in the flight profile are variable. Therefore a determination of the oxygen partial pressure according to the present invention necessary.

Die Erfindung berücksichtigt weiterhin, dass das Treibstoff-/Luftverhältnis im gasförmigen Zustand abhängig ist von mehreren Faktoren:

  • a) Auf-/Abstiegszeit sowie gesamte Flugdauer bzw. der Zeitverlauf b) die jeweilige Flughöhe, d.h. Druck- und Temperaturverlauf,
  • c) die Treibstoffmenge, aus der die thermische Trägkeit folgt. Dabei wird die Wärmeleitungsgleichung berücksichtigt.
  • d) Der Partialdruck des Treibstoffs lässt sich aus dem Gasgesetz und der Antoinegleichung bzw. aus der Klausius-Clapeyron-Gleichung berechnen. Daraus ergibt sich das Treibstoff-zu-Luft-Verhältnis.
The invention also takes into account that the fuel / air ratio in the gaseous state is dependent on several factors:
  • a) time of ascent / descent as well as total duration of flight or the time course b) the respective altitude, ie pressure and temperature course,
  • c) the amount of fuel from which thermal inertia follows. In doing so, the heat equation is considered.
  • d) The partial pressure of the fuel can be calculated from the gas law and the Antoine equation or from the Klausius-Clapeyron equation. This results in the fuel-to-air ratio.

Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks in Flugzeugtanks durch Messung von Druck, Temperatur und/oder Füllstand. Dabei soll die Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks durch die Verwendung von Druck-, Temperatur- und/oder Füllstandsensoren im Treibstofftank erfolgen. Hierzu werden die Sensoren so im Treibstofftank angeordnet, dass sich mindestens ein Temperatursensor in der Gasphase oberhalb des Treibstoffvorrats befindet, und das Temperaturprofil des Treibstoffs wie dargelegt bestimmt wird. Die Sensoren in der Gasphase dienen zur Bestimmung des Gesamtdruckes in den einzelnen Treibstofftanks, d.h. z.B. im Center Tank oder in den Wing Tanks. Zur Füllstandmessung können die dafür vorgesehenen Sensoren oder die eingebrachten Drucksensoren dienen. Die Signale der Sensoren werden in einer Computing and Data Storing Unit verarbeitet. Diese berechnet aus den Sensordaten und evtl. weiteren Flugdaten mit Hilfe von hinterlegten Programmen den Sauerstoffpartialdruck im Tank und gibt entsprechend Steuersignale im Falle eine Überschreitung der zulässigen Grenzwerte aus.According to the present invention, a determination of the oxygen partial pressure in aircraft tanks is carried out by measuring pressure, temperature and / or level. The purpose of the determination of the oxygen partial pressure by the use of pressure, temperature and / or level sensors in the fuel tank done. For this purpose, the sensors are arranged in the fuel tank that at least one temperature sensor is located in the gas phase above the fuel supply, and the temperature profile of the fuel is determined as set forth. The sensors in the gas phase serve to determine the total pressure in the individual fuel tanks, ie for example in the center tank or in the wing tanks. For level measurement, the dedicated sensors or the introduced pressure sensors can be used. The signals from the sensors are processed in a Computing and Data Storing Unit. This calculates the oxygen partial pressure in the tank from the sensor data and possibly further flight data with the aid of stored programs and accordingly outputs control signals in the event of exceeding the permissible limit values.

Insbesondere wird bei der vorliegenden Erfindung die direkte Partialdruckmessung von O2 oder CHx vermieden, d.h. es sind keine speziell entwickelten Messelemen te notwendig. Stattdessen wird über den Gesamtdruck, z.B. durch standardpiezoresistive Silizium-Drucksensoren, die Temperatur, z.B. über Platintemperaturfühler, den Tankfüllstand und die Menge an zugeführtem Inertgas, wie z.B. Stickstoff, das Sauerstoff-zu-Kraftstoff-Verhältnis bestimmt. Die Messung des Tankfüllstands kann beispielsweise über Drucksensoren oder kapazitive Füllstandssensoren erfolgen.In particular, the direct partial pressure measurement of O 2 or CH x is avoided in the present invention, ie there are no specially developed Messelemen te necessary. Instead, the temperature, eg via platinum temperature sensor, the tank level and the amount of supplied inert gas, such as nitrogen, the oxygen-to-fuel ratio is determined by the total pressure, for example by standard piezoresistive silicon pressure sensors. The measurement of the tank level can be done for example via pressure sensors or capacitive level sensors.

All diese Sensordaten werden zur Bewertung des Sauerstoff/Kraftstoff-Verhältnisses im gasförmigen Zustand benötigt. Durch Berechnung der Sauerstoff- und Kraftstoffpartialdrücke mit geeigneten Modellen, abhängig vom Flugprofil, und der Kenntnis aus der zugeführten Intergasmenge kann der Gesamtdruck bestimmt und die experimentellen Daten somit interpretiert werden. Im Falle einer explosiven Gasmischung über dem flüssigen Tankinhalt können mit Hilfe der Recheneinheit 14, die eine Datenspeichereinheit umfasst, und der Stromversorgungseinheit 30 entsprechende Aktionen eingeleitet werden, um den Gefahrenbereich wieder zu verlassen, der durch das UEL bzw. das LEL begrenzt ist.All of this sensor data is needed to evaluate the oxygen / fuel ratio in the gaseous state. By calculating the oxygen and fuel partial pressures with suitable models, depending on the flight profile, and the knowledge of the supplied Intergasmenge the total pressure can be determined and the experimental data thus interpreted. In the case of an explosive gas mixture above the liquid tank contents can with the help of the computing unit 14 comprising a data storage unit and the power supply unit 30 appropriate actions are taken to leave the danger zone, which is limited by the UEL or the LEL.

Eine Regel- oder Steuerstrategie könnte entweder eine strikt einzuhaltende Grenze, z.B. unterhalb 12 % Sauerstoffpartialdruck, oder eine Bewegung entlang berechneter UEL/LEL-Kurven sein, die durch das Einleiten von Stickstoff beeinflussbar ist.A Rule or control strategy could either a strict limit, e.g. below 12% oxygen partial pressure, or a movement along computed UEL / LEL curves through the introduction of nitrogen can be influenced.

Claims (17)

Vorrichtung zur Vermeidung von Brennstofftankexplosionen, insbesondere für Luftfahrzeuge, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (11, 12) zur Bestimmung der Temperatur eines flüssigen Brennstoffs in einem Brennstofftank (20); mindestens einen Drucksensor (13) zur Bestimmung des Drucks in einer Gasphase im Brennstofftank; eine Recheneinheit (14), die aus den Werten für Druck und Temperatur den Sauerstoffpartialdruck und/oder das Mischungsverhältnis zwischen Luft und Treibstoff im Brennstofftank (20) berechnet und mit mindestens einem zuvor definierten Grenzwert vergleicht; eine Steuereinheit zur Ausgabe eines Signals bei Überschreiten des Grenzwertes.Device for avoiding fuel tank explosions, in particular for aircraft, characterized by a device ( 11 . 12 ) for determining the temperature of a liquid fuel in a fuel tank ( 20 ); at least one pressure sensor ( 13 ) for determining the pressure in a gas phase in the fuel tank; an arithmetic unit ( 14 ), which from the values for pressure and temperature, the oxygen partial pressure and / or the mixing ratio between air and fuel in the fuel tank ( 20 ) and compared with at least one previously defined limit; a control unit for outputting a signal when the limit value is exceeded. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (11, 12) zur Bestimmung der Temperatur die Temperatur an einer Grenzfläche zwischen der Gasphase und dem flüssigen Brennstoff bestimmt.Device according to claim 1, characterized in that the device ( 11 . 12 ) determines the temperature at an interface between the gas phase and the liquid fuel to determine the temperature. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Bestimmung der Temperatur einen Temperatursensor (11) umfasst, der die Temperatur der Gasphase bestimmt, wobei die Recheneinheit (14) die Temperatur des flüssigen Brennstoffs aus der Temperatur der Gasphase berechnet.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the means for determining the temperature of a temperature sensor ( 11 ), which determines the temperature of the gas phase, wherein the arithmetic unit ( 14 ) calculates the temperature of the liquid fuel from the temperature of the gas phase. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (16) zur Bestimmung des Füllstands des Brennstofftanks (20), um aus dem Volumen des Brennstoffs die Temperatur des Brennstoffs zu ermitteln.Device according to one of the preceding claims, characterized by a device ( 16 ) for determining the level of the fuel tank ( 20 ) to determine from the volume of the fuel the temperature of the fuel. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Temperatursensoren (12) zur Bestimmung von ein oder mehreren Temperaturgradienten im Brennstoff.Device according to one of the preceding claims, characterized by a plurality of temperature sensors ( 12 ) for determining one or more temperature gradients in the fuel. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Drucksensoren (13) zur Messung des Drucks in der jeweiligen Gasphase verschiedener Brennstofftanks (20), um daraus den jeweiligen Gesamtdruck zu bestimmen.Device according to one of the preceding claims, characterized by a plurality of pressure sensors ( 13 ) for measuring the pressure in the respective gas phase of different fuel tanks ( 20 ) to determine the respective total pressure. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (14) die Temperatur des flüssigen Brennstoffs im Brennstofftank (20) anhand von Flugdaten berechnet.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the arithmetic unit ( 14 ) the temperature of the liquid fuel in the fuel tank ( 20 ) calculated on the basis of flight data. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (14) mathematische Modelle umfasst, in denen unterschiedliche Flugprofile als Modellparameter abgebildet sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the arithmetic unit ( 14 ) comprises mathematical models in which different flight profiles are mapped as model parameters. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Aktuator (31), der bei Erhalt eines Signals von der Steuereinheit die Zuführung eines Inertgases in den Brennstofftank (20) bewirkt.Device according to one of the preceding claims, characterized by an actuator ( 31 ), which upon receipt of a signal from the control unit, the supply of an inert gas in the Brenn fuel tank ( 20 ) causes. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit aus der Temperatur, dem Gesamtdruck, dem Füllstand im Brennstofftank (14) und der Menge an zugeführtem Inertgas das Mischungsverhältnis zwischen Sauerstoff und Brennstoff bestimmt.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the arithmetic unit from the temperature, the total pressure, the level in the fuel tank ( 14 ) and the amount of supplied inert gas determines the mixing ratio between oxygen and fuel. Verfahren zur Vermeidung von Brennstofftankexplosionen, insbesondere bei Luftfahrzeugen, gekennzeichnet durch die Schritte: Bestimmung der Temperatur eines flüssigen Brennstoffs, der sich in einem Brennstofftank (20) befindet; Bestimmung des Drucks in einer Gasphase in dem Brennstofftank (20), die sich oberhalb des flüssigen Brennstoffs befindet; Berechnung des Sauerstoffpartialdrucks im Brennstofftank (20) in der Gasphase aus der Temperatur und dem Druck; Vergleich des berechneten Sauerstoffpartialdrucks mit vorbestimmten Grenzwerten; Ausgabe eines Steuersignals bei Überschreitung von mindestens einem der Grenzwerte.A method for preventing fuel tank explosions, in particular in aircraft, characterized by the steps of: determining the temperature of a liquid fuel that is in a fuel tank ( 20 ) is located; Determination of the pressure in a gas phase in the fuel tank ( 20 ), which is above the liquid fuel; Calculation of the oxygen partial pressure in the fuel tank ( 20 ) in the gas phase from the temperature and the pressure; Comparing the calculated partial pressure of oxygen with predetermined limits; Output of a control signal if at least one of the limit values is exceeded. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an der Grenzfläche zwischen der Gasphase und dem flüssigen Brennstoff bestimmt wird.Method according to claim 11, characterized in that that the temperature at the interface between the gas phase and the liquid fuel is determined. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstand des Brennstofftanks (20) gemessen wird und aus dem Volumen des Brennstoffs und aus der Temperatur der Gasphase die Temperatur des Brennstoffs ermittelt wird.A method according to claim 11 or 12, characterized in that the level of the fuel tank ( 20 ) is measured and from the volume of the fuel and from the temperature of the gas phase, the temperature of the fuel is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Temperatur ein oder mehrere Temperaturgradienten im Brennstoff gemessen werden.Method according to one of claims 11 to 13, characterized that one or more temperature gradients are used to determine the temperature be measured in the fuel. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des flüssigen Brennstoffs und/oder der Sauerstoffpartialdruck im Brennstofftank (20) anhand von Flugdaten durch mathematische Modelle berechnet wird, in denen unterschiedliche Flugprofile als Modellparameter abgebildet sind.Method according to one of claims 11 to 14, characterized in that the temperature of the liquid fuel and / or the oxygen partial pressure in the fuel tank ( 20 ) is calculated by means of flight data by mathematical models in which different flight profiles are mapped as model parameters. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Steuersignal die Zuführung eines Inertgases in den Brennstofftank (20) gesteuert wird.Method according to one of claims 11 to 15, characterized in that by the control signal, the supply of an inert gas in the fuel tank ( 20 ) is controlled. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Temperatur, dem Druck, dem Füllstand im Brennstofftank und der Menge an zugeführtem Inertgas das Verhältnis zwischen Sauerstoff und Brennstoff bestimmt wird.Method according to one of claims 11 to 16, characterized that from the temperature, the pressure, the level in the fuel tank and the Amount of supplied Inert gas the ratio between Oxygen and fuel is determined.
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