Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Regel System für
Brennstofffluß und insbesondere auf ein Regelsystem für
Brennstofffluß mit einer eingebauten fehlfunktionssicheren
Fluidsteuereinrichtung.
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Bei den derzeit bekannten Formen von Regel Systemen für
Brennstofffluß wird eine Steuerung der Fluidflußrate,
beispielsweise zu einem Flugzeugmotor, mittels eines
Fluidflußdosierventils mit einem Differenzdruckregler zur Steuerung der
Fluidflußrate durch das Dosierventil erreicht. Bei einer
Fehlfunktion oder einem Versagen der Anlage hat die Anlage
selbst keine Mittel zur Regulierung des Fluidflusses durch
die Anlage, um den Auswirkungen auf den Motor, z.B. einer
zu hohen oder einer zu niedrigen Drehzahl, entgegenzuwirken.
Deshalb sind unabhängige Überdrehzahl-Regelventile
vorgesehen.
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Die EP-A-0 293 318 zeigt eine Brennstoffdosieranlage mit
einer Pumpe, die ein elektrisch gesteuertes Dosierventil
mit einem Auslaß zu einem mit Brennstoff zu versorgenden
Motor über ein Steuerventil mit Brennstoff versorgt. Ein
Druckregulator steuert die Druckdifferenz über das
Steuerventil und Dosierventil und dient dazu, Brennstoff vom
Einlaß des Steuerventils zur Niedrigdruckseite der Pumpe
zurückzuleiten, wenn eine vorgegebene Druckdifferenz
überschritten wird. Es gibt jedoch kein Mittel zum Schutz
gegen ein Versagen des Druckregulators.
Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
Brennstoffdosiersystem zu schaffen, das höheren
Sicherheitsansprüchen genügt.
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Erfindungsgemäß hat ein Regelsystem für Brennstofffluß zur
Regelung des Brennstoffflusses zu einein Motor ein
Brennstoffdosierventil zur Schaffung eines dosierten
Brennstoffauslaßstromes und einen Differenzdruckregler, der auf die
Druckdifferenz über das Brennstoffdosierventil reagiert und
dementsprechend arbeitet, um den Brennstoffauslaßstrom zu
regeln, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine
Regelventileinrichtung mit einem ersten Ventilelement aufweist, das
zwischen einem Rückflußauslaß des Differenzdruckreglers und
einer Brennstoffrückflußleitung des Regelsystems für
Brennstofffluß angeschlossen ist und das in Reaktion auf einen
ungewöhnlich niedrigen Ausgangsstrom vom
Brennstoffdosierventil
arbeitet, indem es den Brennstoffrückfluß vom
Brennstoffauslaß des Differenzdruckreglers zur
Brennstoffrückflußleitung reduziert.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung hat das Regelsystem für Brennstofffluß des weiteren
eine Steigerungsventilanordnung. Die
Steigerungsventilanordnung wird so versorgt, daß, falls der Fluidfluß durch die
Anlage zu niedrig ist und die Druckdifferenz über die Anlage
über diejenige steigt, die unter normalen
Betriebsbedingungen vorherrscht, die Steigerungsventilanordnung dazu
gebracht wird, zu öffnen und zu erlauben, daß Fluid durch sie
hindurchströmt. So kann der Fluidfluß durch das System auf
das gewünschte Niveau zurückgestellt werden. Dieser
Druckanstieg im System kann auch darin resultieren, daß der
Fluidfluß durch das Brennstoffdosierventil ansteigt.
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Zur Verbesserung der Betriebsweise des Systems ist es
wünschenswert, daß die Steigerungsventilanordnung unter
normalen Betriebsbedingungen geschlossen bleibt, so daß eine
Strömung durch sie verhindert ist. Zu diesem Zweck kann die
Steigerungsventilanordnung so ausgebildet sein, daß sie sich
bei einer Druckdifferenz, die höher ist als die
normalerweise im System vorherrschende, öffnet, üblicherweise dann,
wenn die Druckdifferenz 10 bis 20 % größer ist als die
normale Druckdifferenz.
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Vorzugsweise beinhaltet das System des weiteren ein
Mindestdruckventil
in der Leitung, die den Motor mit Brennstoff
versorgt, so daß im System ein Minimaldruck vorherrscht,
um die Fähigkeit des Systems aufrecht zu erhalten, Ventile
zu stellen und überschüssigen Pumpenstrom in bezug auf die
Motoranforderung zurück zum Reservoir umzuleiten.
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Der Differenzdruckregler, das Brennstoffdosierventil und die
Mindestdruckventilanordnung können irgendwelche der
bekannten und erhältlichen Vorrichtungen sein, die entsprechend der
speziellen Funktion, die sie ausüben, ausgestaltet sind. Die
spezielle Ausführung der Komponenten ist hinsichtlich der
Betriebsweise der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich,
jedoch ist die Funktion wichtig, die sie ausführen.
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Das Steuerventilsystem umfaßt vorzugsweise ein Ventil, zu
dem eine elektromechanische Schnittstelle gehört. Der
Vorteil der Verwendung eines Ventils mit einer
elektromechanischen Schnittstelle besteht darin, daß ein Mikroprozessor
verwendet werden kann, um den Betrieb des Systems entsprechend
vom Motor stammenden Signalen elektronisch zu steuern, wobei
das System zusätzlich gegenüber teilweise mechanisch
abgeleiteten Signalen empfindlich ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird
die Betriebsweise des Systems durch einen Mikroprozessor
in Abhängigkeit von Signalen, die den Betriebszustand des
Motors kennzeichnen, gesteuert.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat
das Steuerventilsystem ein elektrohydraulisches
Servoventil. Das Servoventil kann einen solenoidbetriebenen Motor
mit konstantem Drehmoment aufweisen, der einen Flügel
bewegt und in Betrieb setzt, und kann des weiteren ein mit
drei Stegen versehenes Regelventil aufweisen, das
entsprechend der Einstellung des Flügels durch hydraulischen Druck
bewegt wird.
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Im Betrieb arbeitet das Steuerventilsystem, um den Fluidfluß
zum Motor im Falle einer Fehlfunktion oder eines Versagens
des Systems zu erhöhen oder zu reduzieren.
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Nur falls das Brennstoffdosiersystem in der geschlossenen
Stellung oder bei einer zu sehr eingeschränkten Öffnung
versagt, wird eine Öffnung des Flußsteigerungsventils
bewirkt.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft unter
Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.
Beschreibung der Zeichnungen
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Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines
Regelsystems für Brennstofffluß entsprechend der
vorliegenden Erfindung;
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Figur 2 zeigt eine ähnliche schematische Darstellung
eines zu dem der Figur 1 alternativen
Regelsystems für Brennstofffluß; und
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Figur 3 zeigt eine ähnliche schematische Darstellung
eines weiteren zu dem gemäß den Figuren 1 und 2
alternativen Regelsystems für Brennstofffluß.
Beste Ausführungsform der Erfindung
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Figur 1 zeigt ein Regelsystem für Brennstofffluß
entsprechend der vorliegenden Erfindung, das zur Anwendung in der
Brennstoffversorgungsanlage eines Flugzeugmotors geeignet
ist und das eine Brennstoffpumpe 1, ein
Brennstoffdosierventil 2, einen Differenzdruckregler 3 zur Steuerung der
Brennstoffflußrate durch das Brennstoffdosierventil 2, eine
Regelventileinrichtung 4 und ein Flußsteigerungsventil 5
aufweist.
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Das Flußsteigerungsventil 5 ist derart ausgestaltet, daß
bei normalen Betriebsbedingungen kein Fluid durch das
Ventil strömt. Sofern jedoch die Druckdifferenz über die
normalerweise herrschende ansteigt, öffnet sich das
Flußsteigerungsventil 5. Beispielsweise öffnet sich das
Flußsteigerungsventil 5 bei einer Druckdifferenz von 60 psi und
erlaubt einen zusätzlichen Fluidfluß durch sich zum Motor,
wenn in der Vorrichtung die Druckdifferenz bei normalen
Betriebsbedingungen 50 psi beträgt.
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Die Regelventileinrichtung 4 hat acht Öffnungen 4A bis 4H
und beinhaltet ein Steuerventil 6 mit drei Stegabschnitten
7A, 7B, 7C, einen Motor 8 mit konstantem Drehmoment, der
die Stellung eines Flügels 9 steuert, und eine
Düsenanordnung mit zwei Düsen 10, 11, die einander gegenüberliegen
und im Zusammenwirken mit einem Flügel 9 arbeiten, um das
Regelventil 6 zu positionieren.
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Der Fluidfluß zu den Düsen 10, 11 verläuft unmittelbar vom
Auslaß der Pumpe 1 über Leitungen 10A und 11A zu der
entsprechenden Düse. Jede der Leitungen 10A und 11A ist mit einem
festen Widerstand 10B bzw. 11B versehen. Die Leitungen 10A
und 11A sind an einer Stelle zwischen der Düse 10 bzw. 11
und dem festen Widerstand 10B bzw. 11B zu dem nach außen
orientierten Ende eines entsprechenden Stegabschnitts 7A
bzw. 7C offen.
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Zur Bewegung des Regelventils 6 wird der Flügel 9 unter
Wirkung des Motors 8 mit konstantem Drehmoment bewegt, wodurch
der Druck in den Leitungen 10A und 11A geändert wird. Dies
wiederum stellt das Druckgleichgewicht über das Regelventil
6 ein und bewirkt, daß das Regelventil 6 sich entsprechend
einer Änderung des Druckgleichgewichts bewegt.
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In der Praxis sind die festen Widerstände 10B und 11B und
die Düsen 10, 11 so ausgelegt, daß bei identischen
Flußbedingungen durch die entsprechende Düse eine gleiche Kraft
auf den Flügel 9 aufgebracht wird.
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Die Öffnungen 4A und 4H der Regelventileinrichtung schließen
einfach an ein entsprechendes Ende des Regelventils 6 an,
um ein Druckgleichgewicht über das Regelventil 6 zu
schaffen, in dem die ausgewählte Druckdifferenz mit der aktuellen
Druckdifferenz in der Vorrichtung ausgeglichen und so die
Stellung des Regelventils und damit die der drei
Stegabschnitte 7 in bezug auf die verbleibenden Öffnungen 4B bis
4G bestimmt wird.
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Die Hochdruckauslaßseite der Brennstoffpumpe 1 ist mittels
einer Leitung 12 mit dem Brennstoffdosierventil 2 verbunden.
Die Leitung 12 hat mehrere Zweigleitungen und Abzweige, die
auch den Auslaß der Brennstoffpumpe 1 mit den Öffnungen 4A
und 4C der Regelventileinrichtung 4, der Einlaßseite des
Differenzdruckreglers 3 und der Einlaßseite des
Flußsteigerungsventils 5 verbinden.
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Ein Überdruckventil 13 verbindet die Ausgangsleitung 12 der
Pumpe 1 mit dem Vorrichtungsreservoir, um im Falle eines zu
großen Druckaufbaus in der Anlage bei deren Versagen Fluid
abzulassen.
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Der Auslaß aus dem Brennstoffdosierventil 3 bildet die
Niedrigdruckseite
des Steuersystems und versorgt den Motor
durch die Leitung 14 mit Brennstoff. Die Leitung 14 ist
auch mit der Öffnung 4H der Regelventileinrichtung 4 und
der Auslaßseite des Flußsteigerungsventils 5 verbunden.
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Ein Mindestdruckventil 15 ist in der Leitung 14 vorgesehen.
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Eine Leitung 16 verbindet die Öffnung 4E der
Regelventileinrichtung 4 mit der Auslaßseite des
Differenzdruckreglers 3.
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Die übrigen Öffnungen der Regelventileinrichtung 4 sind wie
folgt angeschlossen:
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Die Öffnung 4B an die erste Düse 10 der Düsenanordnung,
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die Öffnung 4G an die zweite Düse 11 der Düsenanordnung,
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die Öffnung 4D an die Kammer 17 und
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die Öffnung 4F an eine Leitung 18, die sie an die Kammer
17 anschließt.
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Eine Leitung 19 verbindet die Kammer 17 mit dem Reservoir.
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Im Normalbetrieb der Anlage pumpt die Brennstoffpumpe 1
Brennstoff in die Anlage. Dieser Brennstofffluß teilt sich
in zwei unterschiedliche Brennstoffflußströme, nämlich den
erforderlichen Brennstoffflußstrom und den
Überschuß-Brennstoffflußstrom. Der erforderliche Brennstoffflußstrom läuft
durch das Brennstoffdosierventil 2 und das
Mindestdruckventil
15 in den Motor, wo er verbraucht wird. Der Überschuß-
Brennstoffflußstrom läuft durch den Differenzdruckregler 3,
die Leitung 16, die Öffnungen 4E und 4F, die Leitung 18 und
die Kammer 17, und aus dieser durch die Leitung 19 zum
Reservoir, so daß er, sofern erforderlich, rezirkuliert
werden kann.
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Die Stellung des Regelventils 16 in bezug auf die Öffnungen
der Regelventilanordnung 4 ist vom Betriebszustand der
Anlage abhängig.
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Falls die Anlage mit den gewünschten Charakteristiken
arbeitet, steuern der Differenzdruckregler 3 und das
Brennstoffdosierventil 2 die Brennstofffluidflußrate zum Motor,
und die Regelventileinrichtung 4 hat keinen Einfluß auf
den Betrieb der Anlage. Unter diesen Umständen ist das
Regelventil 6 mittig in der Regelventileinrichtung 4
angeordnet, und die an die Öffnung 4B angeschlossene Leitung öffnet
sich zum auswärts gerichteten Ende des Stegabschnitts 7A
des Regelventils 6, und die an die Öffnung 4G angeschlossene
Leitung öffnet sich zum auswärts gerichteten Ende des
Stegabschnitts 7C des Regelventils 6. Des weiteren verhindert
der Stegabschnitt 7B einen Fluidfluß in die Kammer 17, und
die Öffnung 4E ist in freier Verbindung mit der Öffnung 4F.
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Im Falle von Fehlfunktionen der Anlage, die bewirken, daß
die erforderliche Brennstoffstromflußrate zu niedrig oder
zu hoch ist und daß der Motor in einen Zustand mit zu
niedriger
oder zu hoher Drehzahl gerät, wird die
Regelventilanordnung 4 in Betrieb gesetzt, um die erforderliche
Brennstoffstromflußrate zu begrenzen oder wieder herzustellen und
dadurch den Betriebszustand zu korrigieren. Die folgende
Aufstellung führt die unterschiedlichen möglichen
Fehlfunktionen und die Korrekturaktionen auf, wie sie im folgenden
beschrieben werden.
Fehlfunktion/Versagen der Systemeinheit
Position bei Versagen der Systemeinheit
Aktion des Steuerventils
Differenzdruckregler
Brennstoffdosierventil
offen
geschlossen
Einstellung zum Anstieg des Brennstoffflusses zum Motor
Einstellung zur Begrenzung des Brennstoffflusses zum Motor
Eisntellung zum Anstieg des Brennstoffflusses
zum Motor
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Falls der Differenzdruckregler 3 in der geschlossenen
Stellung oder das Dosierventil 2 in der offenen Stellung
versagen, entsteht ein zu großer Brennstofffluß in den Motor, und
der Motor gerät in einen Betriebszustand mit zu hoher
Drehzahl, dementsprechend es erforderlich wird, den
Brennstofffluß zum Motor zu begrenzen. Zur Begrenzung des
Brennstoffflusses zum Motor wird das Regelventil 6 der
Regelventileinrichtung 4 nach rechts (in Richtung des Pfeils A) bewegt,
so daß der Stegabschnitt 7B die Öffnung 4D öffnet und
dadurch die Kammer 17 mit der Öffnung 4C verbindet, um einen
Fluidfluß durch die Leitung 19 zum Reservoir zu erlauben.
Im Betrieb wird der Fluidfluß zum Motor durch Steuerung des
Regelventils 6 eingestellt, um das Ausmaß zu variieren, in
dem der Stegabschnitt 7B die Öffnung 4D öffnet und einen
Brennstoffrückfluß durch die Leitung 19 zum Reservoir
zuläßt.
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Falls der Differenzdruckregler 3 in der geöffneten Stellung
versagt, wird der Brennstofffluß durch das Dosierventil 2
zum Motor stark reduziert, und der Motor gerät in einen
Betriebszustand mit zu geringer Drehzahl, dementsprechend es
erforderlich wird, den Fluidfluß zum Motor auf das
Ausgangsniveau zurückzuführen. Um den Brennstofffluß zum Motor auf
das Ausgangsniveau zurückzuführen, wird das Regelventil 6
der Regelventileinrichtung 4 nach links (in Richtung des
Pfeils B) bewegt, so daß der Stegabschnitt 7C des
Regelventils 6 den Fluidfluß durch die Öffnung 4F einschränkt. So
reguliert das Regelventil 6 den Rückfluß und so steuert es
die Brennstoffzufuhr durch das Ventil 2 zum Motor.
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Falls das Brennstoffdosierventil 2 in der geschlossenen oder
teilweise geschlossenen Stellung versagt, wird der
Brennstofffluß zum Motor beträchtlich reduziert oder abgeschnitten,
und der Motor tritt anfänglich in einen Betriebszustand mit
zu niedriger Drehzahl ein, dementsprechend es erforderlich
wird, den Fluidfluß zum Motor auf das Ausgangsniveau
zurückzustellen. Zur Zurückstellung des Fluidflusses zum Motor auf
das Ausgangsniveau wird das Regelventil 6 der
Regelventileinrichtung 4 nach links (in Richtung des Pfeils B) bewegt,
so daß der Stegabschnitt 7B des Regelventils 6 die Steuerung
der Druckdifferenz über die Anlage übernimmt und die Wirkung
des Druckdifferenzreglers 3 aufhebt. So wird die
Druckdifferenz über die Anlage erhöht, bis das Flußsteigerungsventil
5 geöffnet ist und die Funktion des Brennstoffdosierventils
2 übernimmt.
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Der Betrieb der Regelventileinrichtung 4 wird durch einen
Mikroprozessor MP entsprechend erhaltenen, den
Betriebszustand des Motors, z.B. zu hohe oder zu niedrige Drehzahl,
anzeigenden Signalen, gesteuert. Die auf den Betriebszustand
des Motors bezogenen erhaltenen Signale werden durch nach
Standardherstellungsverfahren hergestellte Sensoren zur
Verfügung gestellt, die an den geeigneten Stellen im Motor
montiert
sind.
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Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist in Figur
2 dargestellt, die in allen Beziehungen ähnlich der in Figur 1
ist, mit der Ausnahme, anstelle der Enden der
Regelventileinrichtung 4, die über das Brennstoffdosierventil 3
miteinander verbunden sind, um druckausgeglichen zu sein, Federn
20 an diesen Enden vorgesehen sind, die auf das Regelventil
6 einwirken und es mittels Federgleichgewicht in der mittigen
Stellung halten.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 3
dargestellt, in der die Regelventileinrichtung 4 ein
Ventil mit doppelten, koaxialen Regelventilen 6', 6" hat,
die gemeinsam mittels Federn 20', 20" an den
entgegengesetzten äußeren Enden gegen einen mittigen Anschlag 21
federvorgespannt sind. Beide Regelventile werden
unabhängig voneinander durch ein elektrisch betriebenes
Zweiwegeverstellorgan 22 gesteuert, das die eine oder die andere
von zwei normalerweise geschlossenen Einlaßöffnungen 23',
23" öffnet und sie dadurch an eine Auslaßöffnung 24
anschließt, die durch eine Leitung 25 an die Rückflußleitung
19 zum Reservoir anschließt. Jede Einlaßöffnung 23', 23"
ist an eine entsprechende Öffnung 4A, 4F am äußeren Ende
eines Regelventils 6', 6" angeschlossen und ist über einen
entsprechenden Widerstand 26, 26' mit dem mittigen Raum 27
zwischen den beiden Regelventilen 6', 6" verbunden. Eine
Einlaßdruckleitung 28 ist von der Einlaßleitung 12 abgezweigt
und mittels der Öffnung 4C an den zentralen Raum 27
angeschlossen.
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Falls die Anlage normal arbeitet, ist das Verstellorgan
unerregt und beide Öffnungen 23', 23" sind geschlossen,
wodurch der Einlaßdruck im Raum 27 über den Widerstand 26'
bzw. 26" zu den äußeren Enden der Regelventile 6' bzw. 6"
übertragen wird. Beide Regelventile werden dann mittels der
Federn 20', 20" in Anlage an den mittigen Anschlag
gedrückt. In dieser Stellung schließt der Stegabschnitt 7A
des einen Regelventils 6' die Öffnung 4B, und die beiden
Öffnungen 4F und 4D sind für den Rückfluß vom
Differenzdruckregler 3 zur Rückflußleitung 19 miteinander verbunden.
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Falls eine Fehlfunktion der Anlage vorliegt, die eine
übermäßige Brennstoffversorgung des Motors bewirkt, wird eine
Korrekturaktion unter Steuerung des Mikroprozessors MP
eingeleitet, zu der die Energierung des Verstellorgans 22 zur
Öffnung der Öffnung 23' gehört. Als Ergebnis dieser Aktion
wird der Druck am linken Ende des Ventils 4 durch die
Öffnung 4A, die Öffnung 23', die Öffnung 24, die Leitung 25
und die Leitung 19 zum Reservoir entspannt. Das linke
Regelventil 6' wird demgemäß unter Wirkung des Einlaßdrucks
im mittigen Raum 27 nach links bewegt, wodurch der
Stegabschnitt 7A die Öffnung 4B öffnet und sie mit der Öffnung 4C
verbindet. Hierdurch wird Brennstoff von der Einlaßleitung
12 über die Leitungen 18, 19 zum Reservoir rückgeleitet,
und die Brennstoffversorgung des Motors wird verringert.
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Falls eine Fehlfunktion der Anlage vorliegt, die die
Brennstoffversorgung des Motors unterbricht oder stark reduziert,
wird eine Korrekturaktion unter Steuerung des
Mikroprozessors MP durchgeführt, um das Verstellorgan 22 in dem in bezug
auf den vorstehend beschriebenen entgegengesetzten Sinn
energiert, wodurch die andere Öffnung 23" geöffnet wird.
Als Ergebnis dieser Aktion wird der Druck am rechten Ende
des Ventils 4 durch die Öffnung 4F, die Öffnung 23", die
Öffnung 24, die Leitung 25 und die Leitung 19 zum Reservoir
entspannt. Das rechte Regelventil 6" wird daher durch den
Druck im mittleren Raum 27 nach rechts bewegt, wodurch das
Regelventil 6" die Öffnung 4F schließt, so daß der
Brennstoffrückfluß vom Differenzdruckregler 3 reduziert oder
unterbrochen wird. Die Druckdifferenz über die Anlage steigt
demgemäß an, bis das Flußsteigerungsventil 5 öffnet, um einen
Brennstofffluß zur Leitung 14 und in den Motor zur
Verfügung zu stellen.