AT500995A2

AT500995A2 - Vorrichtung zur regelung der einspritzung von kraftstoff in eine turbomaschine

Info

Publication number: AT500995A2
Application number: AT0931303A
Authority: AT
Original assignee: Turbine Properties Llc
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2006-05-15
Also published as: US6742340B2; US20030140614A1; AT500995A5; WO2004076836A1

Description

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Kraftstoffeinspritzungs-Regelsystem für eine Turbomaschine
Beanspruchung der Priorität
Die Anmeldung beansprucht die Priorität einer beim U.S.-Patentamt eingereichten Anmeldung mit der Ser. Nr. 10/059,501 und mit dem Einreichungsdatum 29. Jänner 2002.
Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzungs-Regelsystem für Turbomaschinen, das auf vielen verschiedenen Anwendungsgebieten verwendet werden kann, wie in in Düsentriebwerken und in Turboprop-Triebwerken, die bei der kommerziellen, privaten, experimentellen und militärischen Luftfahrt benützt werden, in Kraftwerksturbinen und bei anderen Industrie- und BergbauAnwendungen für Turbomaschinen. Injektoren spritzen Kraftstoff in die Verbrennungs ammer einer Turbomaschine ein.

Eine elektronische Regeleinheit, das Pulsweiten-Modulationssystem, bestimmt die Einspritzdauer und/oder die Frequenz des gepulsten Kraftstoffs und liefert eine präzise Betriebsregelung über einen sehr breiten Bereich von Betriebsbedingungen. Das Regelsystem sieht somit eine signifikant bessere Kraftstoff-Effizienz, ein geringeres Gewicht und eine bessere Maschinen-Betriebsregelung als derzeit bei Turbomaschinen verfügbar vor.
Hintergrund der Erfindung
Herkömmliche Turbomaschinen, die auf den meisten Gebieten verwendet werden, einschliesslich Luftfahrt, Stromerzeugung und Industrie, besitzen im Allgemeinen eine Verbrennungskammer, in welcher der Kraftstoff in Gegenwart von Luft verbrannt wird, um ein Auspuffgas zu erzeugen, welches eine Reihe von Getrieben/Wellen treibt, und letztlich die angetriebene Last (wie einen Propeller, Ventilator oder Schaufeln der Turbomaschine,

eine Pumpe, einen Generator oder eine Geschwindigkeits-Umwandlungseinheit) je nach der Anwendung, und ein System zur Zuführung von Kraftstoff in einem kontinuierlichen Strom (wie ein Ventil oder eine Düse) , welches Kraftstoff zwecks Verbrennung der Verbrennungskammer zuführt. Im Allgemeinen bringen diese Kraftstoff-Zuführsysteme den Kraftstoff in einem kontinuierlichen Strom in die Verbrennungskammer ein und werden gewöhnlich durch mechanische Mittel geregelt, die Druckveränderungen, ein Vakuum oder andere physikalische oder mechanische Eingaben im System abfühlen und darauf reagieren.

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Herkömmliche Kraftstoff-Zuführsysteme für Turbomaschinen stützen sich auch auf den einen und anderen von mehreren physikalischen Prozessen, um den kontinuierlichen Kraftstoff-Strom für die Verbrennung in Kraftstoff-Tröpfchen oder einen Nebel zu zerteilen,

um sich das wohl bekannte umgekehrte Verhältnis zwischen der Grösse eines Kraftstoff-Tröpfchens und der Effizienz der Verbrennung zunutze zu machen. Je kleiner der KraftstoffPartikel, desto grösser die Verbrennungs-Geschwindigkeit und -Effizienz. Ingenieure und Wissenschafter experimentieren seit vielen Jahren mit der Kraftstoff-Düsen-Gestaltung, um die Verbrennungs-Effizienz zu maximieren. Zu den Beispielen zählen das U.S. -Patent Nr. 5 603 211 ("Outer shear Layer Swirl Mixer for a Combustor") und das U.S. Patent Nr. 5 966 937 ("Radial Inlet Swirler with Twisted Vanes for Fuel Injektor") .

Zu den typischen "Zerteilungs"-Prozessen zählen die Verwendung physikalischer Barrieren, gegen welche der Kraftstoff gerichtet wird, um ihn in Tröpfchen zu zerspritzen; die Verwendung von Verwirbelungseinrichtungen ("swirlers") , Schleudereinrichtungen ("slingers") oder anderer Zentrifugalkraft-Erzeugern, die Kraftstoff gegen die Wand einer Verbrennungskammer schleudern, um einen kontinuierlichen Kraftstoff-Strom unter Verwendung mechanischer Mittel zu zerteilen; und die Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Luftströmen zur Fraktionierung eines kontinuierlichen KraftstoffStromes. Somit ist das Ziel der modernen Ausgestaltung von Turbinen-Kraftstoff-Zuführsystemen die Verwendung eines Verfahrens zum Zerteilen eines kontinuierlichen Stroms von KraftstoffTröpfchen oder zum Zerstäuben des Kraftstoffs.

Ein Ziel dieser Erfindung ist die Ergänzung der mechanischen Zerteilung von Kraftstoff durch Pulsen des Kraftstoff-Stromes in die Verbrennungskammer.
Turbomaschinen, wie oben beschrieben, weisen mehrere signifikante Beschränkungen auf, die mechanisch geregelte Zuführsysteme mit kontinuierlichem Strom betreffen.

Diese Beschränkungen inkludieren zumindest die folgenden: (1) die Kraftstoffverbrennung ist weniger effizient als wenn der Kraftstoff in Tröpfchen statt über einen kontinuierlichen Strom in die Verbrennungskammer eingebracht würde; (2) es kann innerhalb der gesamten Verbrennungskammer eine ineffiziente Kraftstoff-Verteilung vorliegen, was zur Ineffizienz der Verbrennung beiträgt; (3) das Abgas enthält häufig unverbrannten Kraftstoff, was zur Luftverschmut zung beitragen kann; (4) die Regelsysteme machen es der Bedienungsperson oft nicht möglich, den Prozess der Kraftstoff-Zuführung so genau, wie es erwünscht sein mag, im Verhältnis zu wichtigen Betriebs-Variablen (wie Durchflussmenge, Luftverbrauchsrate, Laständerungen usw.) zu regeln; (5) die Systeme können in ihrer Bedienung und Wartung schwierig sein;

(6) infolge vieler beweglicher Teile kann das Regelsystem komplex sein; (7) die Systeme können das Gewicht der Turbine unerwünschterweise erhöhen, was besonders bei Anwendungen in der Luftfahrt problematisch ist; und (8) wegen ihrer Komplexität und enger mechanischer Toleranzen können die Zuführ- und Regelsysteme in ihrer Herstellung und/oder in ihrem Zusammenbau teuer sein; und (9) die Ansprechzeit ist inhärent langsam, weil es ein mechanisches System ist.
Die vorliegende Erfindung ist ausgelegt, diese Beschränkungen durch zwei Hauptmerkmale zu überwinden. Erstens wird Kraftstoff in Pulsen in die Verbrennungskammer eingespritzt, wobei ein Kraftstoffinjektor anstelle eines Zuführsystems mit kontinuierlichem Strom verwendet wird.

Dieses Merkmal hat den eindeutigen Vorteil des Zerstäubens des Kraftstoffs und der Abgabe desselben in Pulsen als Nebel oder sogar Dampf in die Verbrennungskammer, wodurch die Notwendigkeit, einen physikalischen Prozess zur Zerteilung eines kontinuierlichen Kraftstoff-Stroms zu verwenden, eliminiert wird. Der Kraftstoff wird effizienter verbrannt, weil die Erfindung die Grösse der einzelnen Kraftstoff-Zellen, die verbrannt werden, reduziert. Kraftstoffinjektoren werden allgemein für diesen Zweck bei Verbrennungsmotoren verwendet (vgl. z.B. U.S. Patent Nr. 6,279,841 ("Fuel Injection Valve") und U.S. Patent Nr. 6,260,547 ("Apparatus and Method for Improving the Performance of a Motor Vehicle Internal Combustion Method)), wurden jedoch nicht zum Einspritzen von KraftstoffPulsen in Turbomaschinen verwendet.

Zweitens benützt die Erfindung eine elektronische Regeleinheit, die Sensor-Signale von ausgewählten Betriebsfunktionen der Maschine detektiert und dann die Dauer und/oder Frequenz von Krafstoff-Pulsen, die in die Verbrennungskammer eingespritzt werden, modifiziert. Dieses Regelsystem stellt somit eine präzise Betriebsregelung über einen sehr breiten Bereich von Betriebsbedingungen bereit.
Die Kombination dieser Merkmale in der Erfindung ergibt ein Kraftstoffeinspritzungs-Regelsystem für eine Turbomaschine, das
- 4 die Maschine effizienter, leichter, einfacher in der Bedienung und Wartung und reaktionsfähiger macht als es derzeit möglich ist.

Bei Anwendung in der Luftfahrt ist offensichtlich jegliche Gewichtsreduktion der Turbomaschine ein Vorteil für die Gesamtleistung und Kraftstoff-Effizienz der Maschine.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung der Einspritzung von Kraftstoff in eine Turbomaschine mit einer Verbrennungskammer.

Die Vorrichtung umfasst zumindest einen Kraftstoffinjektor, der Mittel zur Zuführung von Kraftstoff in Pulsen zur Verbrennungskammer der Turbomaschine hat; zumindest einen Betriebs-Sensor, der Mittel zum Empfangen von Sensorsignalen von einer ausgewählten Betriebsfunktion der Turbomaschine hat; eine programmierbare elektronische Regeleinheit zum Empfangen und Vergleichen des Werts der Sensorsignale von der Turbomaschine mit dem Wert eines Sollsignals und zum Erzeugen von Kraftstoffinjektor-Regelsignalen in Ansprechen hierauf;

und eine Einrichtung zum Zuleiten der Kraftstoffinjektor-Regelsignale zum KraftStoffinjektor, um die Pulsdauer und/oder Frequenz der Kraftstoffeinspritzung in Ansprechen auf eine Abweichung von einer gewählten Betriebsfunktion, wie der gewünschten Maschinendrehzahl, zu modifizieren, die durch von der Turbomaschine angetroffene variable Betriebslasten verursacht ist.

Das Verfahren zur Regelung der Einspritzung von Kraftstoff in eine Turbomaschine mit einer Verbrennungskammer und mit mindestens einem Kraftstoffinjektor und zumindest einem Sensor zur Erfassung von Betriebssignalen von der Maschine umfasst die Schritte, dass Kraftstoff in Pulsen der Verbrennungskammer unter Verwendung des Injektors zugeführt wird; zumindest ein BetriebssenorSignal von der Turbomaschine unter Verwendung des Sensors erfasst wird;

Sensorsignale vom Betriebssensor zu einer programmierbaren elektronischen Regeleinheit geleitet werden; und an dieser programmierbaren elektronischen Regeleinheit der Wert des Sensorsignals mit dem Wert eines gewünschten Signals verglichen und Kraftstoffinjektor-Regelsignale in Ansprechen auf das Sensorsignal erzeugt werden;

und die Kraftstoffinjektor-Signale dem Kraftstoffinjektor zugeleitet werden, um die Pulsdauer und/oder Frequenz der Kraftstoffeinspritzung in Ansprechen auf eine Abweichung von gewünschten Maschinendrehzahlen zu modifizieren, die durch von der Turbomaschine angetroffene variable Betriebs ...

- ^ ^ lasten verursacht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 ist ein Schaubild einer hypothetischen typischen Regelkonsole für die Turbomaschine eines Turboprop-Flugzeugs.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Kraftstoffinjektors, der in die Verbrennungskammer einer Turbomaschine ragt und mit der Regelkonsole der Maschine verbunden ist.
Fig. 2a ist eine Seitenansicht eines typischen KraftStoffinjektors.
Fig. 3 ist ein Blockschaltbild, das die Relation zwischen den Turbomaschinen-Sensoren, der elektronischen Regeleinheit und dem Kraftstoffinjektor zeigt.
Fig.

4 ist ein Blockschaltbild, das die Verwendung der Maschinendrehzahl, als Umdrehungen pro Minute gemessen, und der Abgastemperatur, unter Verwendung einer Abgastemperatur-Sonde gemessen, als Turbomaschinen-Sensoren zur Erzeugung von SensorSignalen, die zur elektronischen Regeleinheit geleitet werden, zeigt.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer Konfiguration von integrierten Schaltkreisen an der elektronischen Regeleinheit.
Fig. 6 ist ein Blockschaltbild, das die Betriebsschritte des Kraftstoffeinspritzungs-Regelsystems zeigt .
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Figuren ist Fig. 1 ein Schaubild einer hypothetischen, jedoch typischen Regelkonsole für eine Turbomaschine eines Turboprop-Flugzeuges, was eine mögliche Anwendung für die Erfindung und die hierin beschriebene Ausführungsform ist.

Es gibt jedoch viele Anwendungen für die Erfindung; dies ist nur eine ihrer vielen potentiellen Anwendungen auf Turbomaschinen. Bei der hier veranschaulichten Ausführungsform enthält eine typische Steuerkonsole 100 Instrumenten-Messgeräte für die Abgastemperatur 1, die Propellsteigung 2, Ampere 3 und Volt 4. Die Konsole kann auch andere Messgeräte für andere relevante Parameter, wie Kraftstoff-Stand, Öldruck, Luftgeschwindigkeit, Höhe usw. enthalten, die hier alle weggelassen wurden. Die hypothetische, in Fig. 1 veranschaulichte Regelkonsole 100 enthält Digital-Anzeigen für die Maschinen-Umdrehungen pro Minute (UpM) 5 und Betriebsstunden 6. Sie enthält auch Kippschalter für den Hauptschalter 7, Zündungsstart-Elektromagnet 8, - 6 -

Kraftstoff-Rechner 9, Starter 10 und die Propellerneigung 11.

Die Konsole hat eine manuelle Einstellscheibe 12 und eine automatische Einstellscheibe 13 zur Bedienung des Kraftstoffeinspritzungs-Regelsystems, und einen Steuerschalter 15 für das Umschalten zwischen manuellem und automatischem Betrieb. Die Einstellscheiben 12 und 13 sind mit einer elektronischen Regeleinheit (electronic control unit, ECU) 14 verbunden, welche sich bei dieser Anwendung nicht auf der Steuerkonsole 100 befindet. Die ECU 14 kann sich an jeder gewünschten Stelle an der Maschine befinden. Die ECU 14 fungiert als Pulsweitenmodulations-Steuersystem für die Kraftstoffinjektoren, wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt und nachstehend beschrieben ist.

Die ECU kann jede von mehreren Formen, einschliesslich eines Festkörper-Schaltkreises, eines Mikroprozessors und eines Mikrocomputers, aufweisen.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Kraftstoffinjektors, der in die Verbrennungskammer einer Turbomaschine ragt. Die Fig. 2a ist eine Seitenansicht eines typischen Kraftstoffinjektors. Verschiedene Arten von Kraftstoffinjektoren sind für die Verwendung in Verbrennungsmotoren, wie Kraftfahrzeug-Motoren, bekannt. Sie sind im Handel von verschiedenen beliebigen Herstellern (z.B. Ford Motor Company, Robert Bosch GmbH) als serienmässig produzierte Artikel erhältlich. Die Neuheit dieser Erfindung besteht teilweise im Adaptieren eines Kraftstoffinjektors und in der Verwendung von Sensoren und ECUs zur Verwendung bei einer Turbomaschine.

Die Grösse und Anzahl der bei jeder bestimmten Anwendung verwendeten Injektoren sind von der Grösse der Maschine, der Grösse der Verbrennungskammer, der gewünschten PSLeistung und ähnlichen Faktoren abhängig. Viele Anwendungen, einschliesslich der hierin beschriebenen Flugzeug-Ausführungsform, benützen allgemein von 4 bis 8 Kraftstoffinjektoren. Jedoch hat jede Turbomaschine, auf welche sich die Erfindung bezieht, mindestens einen Kraftstoffinjektor mit Mitteln zur Zuführung von Kraftstoff in Pulsen in eine Verbrennungskammer. Je nach Wunsch können die Injektoren durch eine gemeinsame Kraftstoffleitung (wie eine Kraftstoff-Leiste) verbunden sein oder voneinander unabhängige Leitungen haben. Eine Kraftstoffpumpe kann verwendet werden, um Kraftstoff in die Kraftstoffleitung zu pumpen.

Es ist auch denkbar, dass die elektronische Regeleinheit mit der Kraftstoffpumpe integriert sein könnte, als zusätzlicher oder alternativer Weg zur Regelung der Kraftstoffeinspritzung in die Verbrennungs ammer.
Wie in den Fig. 2 und 2a gezeigt, hat ein typischer Injektor 20 eine Kraftstoff-Einlassöffnung 22, die Kraftstoff von einem Kraftstofftank oder einer anderen Versorgungsquelle erhält, eine Kraftstoff-Einspritzöffnung 21 und eine Regelöffnung 23. Bei der in Fig. 2 veranschaulichten Ausführungsform wird Kraftstoff an die Kraftstoff-Einlassöffnung 22 des Kraftstoffinjektors durch eine Kraftstoff-Leiste 25 verteilt. Vorzugsweise sollte jeder Injektor so positioniert sein, dass seine Kraftstoff-Einspritzöffnung 21 in die Verbrennungskammer 24 der Turbomaschine hineinragt.

Kabel oder andere geeignete Mittel zur Zuleitung von Injektor-Signalen von der ECU zum Kraftstoffinjektor (wie nachstehend beschrieben) sind mit dem KraftStoffinjektor 20 durch die Regelöffnung 23 verbunden. Diese Anordnung ermöglicht es dem Injektor 20, in Ansprechen auf von der ECU 14 in die Regelöffnung 23 gelenkte Kraftstoffinjektor-Signale Kraftstoff-Pulse durch die Injektor-Öffnung 21 direkt in die Verbrennungskammer 24 einzuspritzen, wo die Kraftstoff-Pulse in Gegenwart von Luft in der Kammer verbrannt werden können.

Abgase aus der Verbrennung in der Verbrennungskammer entweichen durch einen Austrittskegel 26 oder eine ähnliche Konstruktion, wie in Fig. 2 gezeigt.
Es ist hilfreich, allgemein zu beschreiben, wie ein Kraftstoffinjektor funktioniert, bevor man beschreibt, wie sich das Regelsystem dieser Erfindung in (einen) Kraftstoffinjektor (en) einfügt, um die Kraftstoffeinspritzung in Ansprechen auf ein Abweichen von gewünschten durch variable Betriebslasten, denen die Maschine begegnet, verursachte Betriebsdrehzahlen zu regeln. Kraftstoffinjektoren haben im Allgemeinen ein elektrisch geregeltes oder elektromagnetisch betätigtes Ventil, das den Kraftstoff-Strom durch den Injektor hindurch regelt. Ein VentilVerschlusselement (oder Kolben) 27 drückt typischerweise gegen einen Ventilsitz 26 in der Schliessrichtung, wenn die Magnetspule 28 nicht erregt ist.

Wenn die Spule erregt ist, löst sich das Ventil-Verschlusselement vom Ventilsitz in Öffnungsrichtung. Somit öffnet und schliesst das Injektor-Ventil in gewünschten Abständen in Ansprechen auf eine elektrische Anregung an den Elektromagneten des Injektors, wodurch eine gewünschte (üblicherweise in Milligramm gemessene) Menge an Kraftstoff pro gegebener (üblicherweise in Millisekunden gemessener) Zeitdauer durch den Injektor in die Verbrennungskammer zugeführt wird. Die _ 8 -<><'>:.
(in den Zeichnungen nicht gezeigte) Injektordüse ist so ausgelegt, dass sie den Kraftstoff zerstäubt oder einen möglichst feinen Kraftstoff-Nebel erzeugt, so dass der Kraftstoff leicht verbrennt .
Ein Ventil-Betriebszyklus ist als gegebene Zeitdauer definiert, während welcher das Ventil sowohl Offen- als auch Schliess-Phasen hat.

Der Strom des Kraftstoffs durch einen Injektor hindurch ist allgemein von zwei Variablen, Pulsweite und Frequenz, bestimmt. Die Pulsweite bezieht sich auf die Länge der Zeit (typischerweise in Millisekunden gemessen) , die das Ventil während eines vollständigen Ventil-Betriebszyklus offen ist. Beispielsweise bedeutet eine grössere Pulsweite, dass das Ventil während eines gegebenen Zyklus relativ länger offen ist als bei eine kürzeren Pulsweite. Eine grössere Pulsweite lässt mehr Kraftstoff durch den Injektor hindurchtreten als eine kürzere Pulsweite. Die Frequenz bezieht sich auf den Abstand zwischen Ventilzyklen.

Der Ausdruck "Pulsweiten-Modulator" (PWM) bezieht sich auf die Fähigkeit, die Pulsweite während einer gegebenen Frequenz zu regeln.
Fig. 3 und 4 sind vereinfachte schematische Überblicks-Darstellungen der besten Weise, wie das Regelsystem funktioniert, um die Dauer und/oder Frequenz von in die Verbrennungskammer pulsförmig eintretendem Kraftstoff zu regeln.

Das Regelsystem umfasst einen oder mehrere Sensoren, die ausgewählte MaschinenBetriebsfunktionen (wie Maschinendrehzahl, Maschinenleistung, Maschinen-Kraftstoffverbrauch oder andere Funktion (en) ) verfolgen, um festzustellen, wie gut die Maschine im Vergleich zu einem gewünschten Zustand oder Soll-Wert arbeitet; eine Gruppe von Eingaben in die ECU 14; eine programmierbare Speicher-Einrichtung, wie einen oder mehrere integrierte Schaltkreise, oder Computer-Chips, die die ECU 14 selbst aufweisen; und eine Gruppe von Ausgängen aus der ECU 14, die die Kraftstoffeinspritzung in die Verbrennungskammer regeln. Wie in Fig. 3 veranschaulicht, fühlen Turbomaschinen-Sensoren 41 Abweichungen in der gewählten Betriebsfunktion in Ansprechen auf verschiedene, an die Maschine gestellte Anforderungen.

Die gewählte Betriebsfunktion kann entweder statisch oder dynamisch sein - d.h. die Betriebsfunktion "Soll-Wert" kann konstant bleiben oder variieren, während die Maschine in Betrieb ist. Bei dieser Ausführungsform fühlen die Torbomaschinen-Sensoren 41 Abweichungen in der Betriebsdrehzahl, die sich aus variablen Betriebslasten (z.B. verringert eine Erhöhung der Last die Drehzahl der Maschine) ergeben und erzeugen elektrische Sensor-Signale 42, die als Eingaben an die ECU 14 fungieren. Die Ausgänge aus der ECU 14 sind elektrische Kraftstoffinjektor-Regelsignale 43, die zur Regelöffnung 23 des Kraftstoffinjektors 20 gelangen, um die Pulsdauer und/oder Frequenz von Kraftstoff-Pulsen durch die Injektor-Öffnung 21 in die Verbrennungskammer 24 zu regeln.

Es ist denkbar, dass die ECU 14 programmiert werden kann, um Kraftstoffinjektor-Signale 43 zu erzeugen, die das Verhältnis von Pulsdauer zur Frequenz des Kraftstoffinjektors in Ansprechen auf eine Abweichung von den gewünschten Betriebsdrehzahlen modifizieren.
Bei der hier veranschaulichten Ausführungsform (d.h. Verwendung des Kraftstoff-Einspritzungs-Regelsystems zur Regelung der Betriebsgeschwindigkeit eines Turboprop-Flugzeugs) sind die ausgewählten Torbomaschinen-Sensor-Eingaben 41 an die ECU 14 die Umdrehungen pro Minuten (UPM) der Ausgangswelle und die Temperatur des Abgases, wie in Fig. 4 gezeigt.

Eine grosse Vielfalt anderer Eingabe-Signale, wie Sauerstoffgehalt des Abgases, Massen-Luftstrom in die Maschine, Maschinen-Temperatur und angetriebene Last (einschliesslich, jedoch ohne Einschränkung darauf, Propellerneigung, Generator-Last und Fluidleistungs-Lasten können, je nach der Anwendung, als geeignet verwendet werden. Wie in Fig. 4 gezeigt ist die Turbomaschine mit Maschinendrehzahl-Sensoren 45 und mit einem Abgas-Temperatursensor 47 ausgestattet, um die UPMs bzw. die Abgas-Temperatur der Maschine zu detektieren, während die Maschine auf unterschiedliche Lasten, welchen sie begegnet, anspricht. Diese Sensoren können herkömmliche Einrichtungen zur Überwachung dieser Funktionen sein, wie Tachometer und Thermoelement-Temperatursonde.

Ein Maschinendrehzahl-Sensor 45 erzeugt ein elektrisches UPM-Signal 46, das mit geeigneten Mitteln, wie herkömmlichen Leitungen, zur ECU 14 geleitet wird. Ebenso erzeugt der Abgas-Temperatursensor 47 ein elektrisches Temperatur-Signal 48, das ebenfalls mit einem geeigneten Mittel zur ECU 14 geleitet wird. Die ECU 14 erzeugt dann Kraftstoffinjektor-Regelsignale 43, die zum Kraftstoffinjektor 20 geleitet werden, um die Dauer und/oder Frequenz von Kraftstoff, der in Ansprechen auf Variationen in den Eingabesignalen, wie nachstehend besprochen, durch den Injektor hindurchtritt, zu regeln. eee
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Die ECU 14 weist eine Gruppe integrierter Schaltkreise auf, die Eingabesignale empfängt und Ausgangssignale erzeugt, wie in Fig. 5 gezeigt. Die ECU 14 kann je nach Wunsch mit integrierten Schaltkreisen programmiert werden.

In dieser Ausführungsform sind die Eingabesignale Eingaben der Bedienungsperson von den Einstellscheiben 12 und 13, und das UPM-Signal 46 und das Temperatursignal 48 von der Maschine. Die Ausgangssignale sind die Kraftstoffinjektor-Regelsignale 43 an die Regelöffnungen 23 der Kraftstoffinjektoren 20 und ein Ausgang an die UPM-Anzeige 5 an der Regelkonsole 100. Die Fig. 5 und 6 zeigen gemeinsam, wie die ECU 14 funktioniert.
Die Bedienungsperson wählt zuerst den manuellen Modus durch Schalten des Steuerschalters 15, um die manuelle Einstellscheibe 12 an der Regelkonsole 100 zu aktivieren, schaltet den Starter 10 ein und dreht den Zündungs-Start-Magnetschalter 8 auf, um zu bewirken, dass sich die Turbine zu drehen beginnt.

Die Bedienungsperson dreht dann den Kraftstoff-Computer-Schalter 9 auf, um zu bewirken, dass die Batterie der Maschine elektrischen Strom an die ausgewählte Anzahl von integrierten Schaltkreisen der Stromversorgung des Systems liefert, die sich auf der ECU 14 befinden, wie in Fig. 5 veranschaulicht. Die hier gezeigte Ausführungsform hat drei solche integrierte StromversorgungsSchaltkreise. Der integrierte Schaltkreis 51 für die manuelle Regelung der Stromversorgung regelt den von der Batterie der Maschine gelieferten Strom auf eine einheitliche Spannung und führt sie dem manuellen Steuer-Teil der Einheit zu. Der integrierte Schaltkreis 52 für die automatische Steuerung der Stromversorgung reguliert und liefert Strom an den automatischen Steuerteil der Einheit.

Der integrierte Schaltkreis 53 für die digitale Steuerung der Stromversorgung reguliert und liefert Strom an die digitale UPM-Anzeige 5 der Regelkonsole 100.
Als nächstes wählt die Bedienungsperson eine gewünschte Pulsdauer durch Drehen der manuellen Einstellscheibe 12, was ein Signal an den integrierten Schaltkreis 54 für manuelle Pulsbildung auf der ECU 14 sendet, wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt. Der integrierte Schaltkreis 54 für manuelle Pulsbildung interpretiert dieses Steuersignal und erzeugt ins Positive gehende Pulse mit einer voreingestellten Frequenz im Verhältnis zum gelieferten Signal. Diese Pulse werden dann zu einem integrierten Schaltkreis 55 des Verstärkungssystems auf der ECU 14 geleitet.

Die vom integrierten Schaltkreis 55 des Verstärkungssystems verstärkten Pulse werden zu den KraftstoffinjektorRegelsignalen 43, die an die Maschinen-Injektoren 20 übermittelt werden, welche wiederum öffnen, wenn der Puls vorliegt, und schliessen, wenn er abwesend ist, um Kraftstoff an die Maschine zu liefern. Somit regelt die Weite (oder Dauer) des Pulses die Menge des durch jeden Injektor durchgelassenen Kraftstoffs.
Der in die Verbrennungskammer 24 der Maschine eintretende Kraftstoff wird gezündet, und die resultierende Expansion des Verbrennunggases bewirkt, dass sich die Turbine mit einer gegebenen Drehzahl zu drehen beginnt.

Wenn die Bedienungsperson die manuelle Einstellscheibe 12 höher dreht, wird ein verstärktes Signal an den integrierten Schaltkreis 54 der manuellen Pulsbildung gesendet, was eine Vergrösserung der vom integrierten Schaltkreis 54 der manuellen Pulsbildung erzeugten und durch den Schaltkreis 55 des Verstärkungssystems verstärkten Pulsweite bewirkt. Die Pulse längerer Dauer, die durch den integrierten Schaltkreis 55 des Verstärkungssystems verstärkt werden, bewirken, dass die Maschinen-Injektoren 20 länger offen bleiben und somit mehr Kraftstoff liefern und die Maschinendrehzahl (UPM) erhöhen.
Nach Erreichen einer aufrecht erhaltbaren Mindestdrehzahl schaltet die Bedienungsperson nun durch Schalten des Steuerschalters 15 in den automatischen Modus um, um die automatische Einstellscheibe 13 auf der Regelkonsole 100 zu aktivieren.

Dieser Regler erzeugt ein Signal, das zum integrierten Schaltkreis 56 des integrierenden Verstärkers der ECU 14 geleitet wird (Fig. 5) . Der elektrische System-Wechselstromgenerator wirkt als Maschinendrehzahl-Sensor 45, indem er eine Frequenz im Verhältnis zu seiner Drehzahl erzeugt. Diese Frequenz wird zum integrierten Schaltkreis 57 des Spannungswandlers geleitet, wo sie in eine Gleichstrom-Spannung umgewandelt wird, die der zugeführten Frequenz direkt proportional ist, womit für die Bedienungsperson eine Eingabe der Turbinenwellen-Drehzahl vorgesehen wird. Der Ausgang des integrierten Schaltkreises 57 des Spannungswandlers wird in zwei Signale geteilt.

Ein Signal wird zum integrierten A/D-Schaltkreis 60 geleitet, der die Spannung misst und sie codiert, um die korrekten Segmente der digitalen UPM-Anzeige 5 auf der Regelkonsole 100 zu beleuchten, um eine visuelle Anzeige der Maschinen-UPM vorzusehen. Das ande - 12 re Signal wird zum integrierten Schaltkreis 58 des Operationsverstärkers der ECU 14 geleitet, wo es elektrisch isoliert wird und zum integrierten Schaltkreis 56 des integrierenden Verstärkers weitergeleitet wird.
Der integrierte Schaltkreis 56 des integrierenden Verstärkers vergleicht nun das oben besprochene gewünschte UPM-Signal mit dem vom integrierten Schaltkreis 58 des Operationsverstärkers eingeführten skalierten und isolierten Signal und erzeugt eine Ausgangsspannung im Verhältnis zum Fehler zwischen der angeforderten UPM und der tatsächlichen UPM.

Diese Ausgangsspannung nimmt im Lauf der Zeit zu, wenn die tatsächliche UPM unter der angeforderten UPM liegt, und nimmt im Lauf der Zeit ab, wenn die tatsächliche UPM über der angeforderten UPM liegt. Die Geschwindigkeit der Veränderung steht in Bezug zur Grösse des Fehlers als kontinuierlich integrierte Funktion
Dieses Regelsignal wird nun zum integrierten Schaltkreis 59 für automatische Pulsbildung geleitet, welcher dieses KommandoSignal interpretiert und ins Positive gehende Pulse mit einer voreingestellten Frequenz im Verhältnis zur Höhe des zugeführten Signals erzeugt. Diese Pulse werden dann zum integrierten Schaltkreis 55 des Verstärkungssystems geleitet. Elektrische Pulse, die durch den integrierten Schaltkreis 55 des Verstärkungssystems verstärkt werden, werden zu KraftstoffinjektorRegelsignalen 43, die an die Maschinen-Injektoren 20 übermittelt werden.

Diese Signale bewirken, dass die Injektoren öffnen, wenn das Signal anwesend ist, um der Maschine Kraftstoff zu liefern, und schliessen, wenn es nicht vorhanden ist, um die KraftstoffLieferung zu stoppen. Somit regelt die Weite (oder Dauer) des elektrischen Pulses die Menge des Kraftstoffs, die durch jeden Injektor 20 zugelassen wird.
Der Maschinendrehzahl-Sensor 45 detektiert eine verringerte Maschinendrehzahl (UPM) , die durch eine erhöhte Belastung der Maschine bewirkt ist, und sendet ein UPM-Sensor-Signal 46 an die integrierte Schaltung 57 des Spannungswandlers der ECU 14.

Der Maschinen-Wechselstromgenerator und die ECU-RückkopplungssystemKette aus dem integrierten Schaltkreis 57 des Spannungswandlers, dem integrierten Schaltkreis 58 des Operationsverstärkers und dem integrierten Schaltkreis 56 des integrierenden Verstärkers modifizieren die Eingabe an den integrierten Schaltkreis 59 der automatischen Pulsbildung und an den integrierten Schaltkreis 55
.,.

- 13 des Verstärkungssystems, wobei sie Kraftstoffinjektor-Signale 43 an die Injektoren 20 senden und dadurch bewirken, dass sie länger offen bleiben, um mehr Kraftstoff einzuspritzen, um die gewünschte UPM aufrecht zu erhalten. Die gleiche, aber entgegengesetzte Wirkung tritt bei einer Verringerung der Last an der Maschine auf.

Die Reaktionszeit des Systems wird in Millisekunden gemessen und sieht eine beinahe sofortige Korrektur auf Last-induzierte UPM-Änderungen vor.
Eine zweite Eingabe in das Regelsystem ist bei dieser Ausführungsform eine konstante Überwachung der Abgastemperatur zum Schutz der Integrität der Konstruktion der Maschine. Ein Thermoelement kann in den Abgasstrom eingefügt werden, um als AbgasTemperatursensor 47 zu dienen. Dieser Sensor überwacht die Abgastemperatur und erzeugt infolge des Seebeck-Effekts, der proportional zur Gastemperatur ist, eine winzige elektrische Spannung. Dieses elektrische Temperatursignal 48 wird zum integrierten Schaltkreis 61 des Thermoelement-Verstärkers geleitet, der sich an der ECU 14 befindet (Fig. 5 und 6) , wo es um den Faktor 100 verstärkt wird.

Der elektrische Ausgang des integrierten Schaltkreises 61 des Thermoelement-Verstärkers wird zum integrierten Schaltkreis 62 des Spannungs-Komparators geleitet, wo er mit einer voreingestellten Spannung verglichen wird, die so ausgewählt ist, dass sie eine maximale sichere Betriebstemperatur für die Turbinen-Komponenten widerspiegelt. Der Ausgang des integrierten Schaltkreises 62 des Komparators wird zum Eingang des integrierten Schaltkreises 56 des integrierenden Verstärkers geleitet, um dem zuvor besprochenen, bereits vorhandenen UPM-Bedarfs-Signal zu entsprechen.

Wenn die Abgastemperatur auf den voreingestellten Sicherheits-Pegel ansteigt, erzeugen der integrierte Schaltkreis 61 des Thermoelement-Verstärkers und der integrierte Schaltkreis 62 des Komparators ein Ausgangssignal, um ein Vorgehen gegenüber dem von der automatischen Einstellscheibe 13 ankommenden Signal zu bewirken und künstlich das UPM-Bedarfs-Signal auf eine geringere Stärke zu drücken und dadurch eine Verringerung des Signals zum integrierten Schaltkreis 59 der automatischen Pulsbildung und zum integrierten Schaltkreis 55 des Verstärkungssystems zu bewirken. Dieses verminderte Kraftstoffinjektor-Regelsignal 43 verringert die Dauer, während welcher Kraftstoff durch die Injektoren 20 pulst, und zwar durch die oben besprochene Rückkopplungs-
.
Schleife.

Die resultierende Verringerung des zugeführten Kraftstoffs verlangsamt die Maschine, verringert die Abgastemperatur und schützt die Turbinen-Komponenten.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Regelung der Einspritzung von Kraftstoff in eine Turbomaschine mit einer Verbrennungskammer, welche Vorrichtung

- zumindest einen Kraftstoffinjektor, der Mittel zur Zuführung von Kraftstoff in Pulsen zur Verbrennungskammer der Turbomaschine hat;

- zumindest einen Betriebs-Sensor, der Mittel zum Empfangen von Sensorsignalen von einer ausgewählten Betriebsfunktion der Turbomaschine hat;

- eine programmierbare elektronische Regeleinheit zum Empfangen und Vergleichen des Werts der Sensorsignale von der Turbomaschine mit dem Wert eines Sollsignals und zum Erzeugen von Kraftstoffinjektor-Regelsignalen in Ansprechen hierauf; und

- eine Einrichtung zum Zuleiten der Kraftstoffinjektor-Regelsignale zum Kraftstoffinjektor aufweist, um die Pulsdauer und/oder Frequenz der Kraftstoffeinspritzung in Ansprechen auf eine Abweichung von gewünschten Maschinendrehzahlen zu modifizieren, die durch von der Turbomaschine angetroffene variable Betriebslasten verursacht sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Kraftstoffinjektor Kraftstoff zerstäubt und in Form von Pulsen als feiner Nebel der Verbrennungskammer zuführt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Turbomaschine vier bis acht Kraftstoffinjektoren aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der am zumindest einen Betriebs-Sensor die Sensorsignale betreffend eine ausgewählte Betriebsfunktion der Turbomaschine auf Basis der Umdrehungen pro Minute der Turbomaschine erzeugt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der am zumindest einen Betriebs-Sensor die Sensorsignale betreffend eine ausgewählte Betriebsfunktion der Turbomaschine auf Basis der Abgastemperatur der Turbomaschine erzeugt werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Maschinen-Umdre hungen pro Minute und die Maschinen-Abgastemperatur die Betriebs-Sensoren der Maschine umfassen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die ausgewählte Betriebsfunktion zumindest eine der Grössen: Maschinen-Arbeitsdrehzahl, Maschinenleistung und Maschinen-Kraftstoffbedarf umfasst.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die programmierbare elektronische Regeleinheit ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend zumindest eines der Elemente Festkörperschaltung, Mikroprozessor und Mikrocomputer.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die programmierbare elektronische Regeleinheit integrierte Schaltungen aufweist, die Eingangssignale von zumindest einer ausgewählten Betriebsfunktion der Turbomaschine empfangen und in Ansprechen darauf Kraftstoffinjektor-Regelsignale erzeugen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die programmierbare elektronische Regeleinheit ein Ausgangssignal auf Basis der Abgastemperatur erzeugt, um einem ankommenden MaschinendrehzahlBedarfssignal vorzugehen, um die Dauer der Kraftstoffpulse durch den Kraftstoffinjektor zu reduzieren.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die programmierbare elektronische Einheit Kraftstoffinjektor-Signale erzeugt, die das Verhältnis von Pulsdauer zur Frequenz des Kraftstoffinjektors in Ansprechen auf eine Abweichung von gewünschten Betriebsdrehzahlen modifizieren.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die gewünschte Betriebsdrehzahl konstant bleiben oder variieren kann, wenn die Maschine läuft.

13. Vorrichtung zur Regelung der Einspritzung von Kraftstoff in eine Turbomaschine mit einer Verbrennungskammer, welche Vorrichtung

- zumindest einen Kraftstoffinjektor, der Mittel zur Zuführung von Kraftstoff in Pulsen zur Verbrennungskammer der Turbomaschine hat; <

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die ausgewählte Betriebsfunktion konstant bleiben und variieren kann, wenn die Maschine läuft.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die programmierbare elektronische Regeleinheit ein Ausgangssignal auf Basis der Abgastemperatur erzeugt, um einem ankommenden MaschinendrehzahlBedarfssignal vorzugehen, um die Dauer der Kraftstoffpulse durch den Kraftstoffinjektor zu reduzieren.

16. Verfahren zur Regelung der Einspritzung von Kraftstoff in eine Turbomaschine mit einer Verbrennungskammer und mit mindestens einem Kraftstoffinjektor und zumindest einem Sensor zur Erfassung von Betriebssignalen von der Maschine, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass:

- Kraftstoff in Pulsen der Verbrennungskammer unter Verwendung des Injektors zugeführt wird;

- zumindest ein Betriebssenor-Signal von der Turbomaschine unter Verwendung des Sensors erfasst wird;

- Sensorsignale vom Betriebssensor zu einer programmierbaren elektronischen Regeleinheit geleitet werden;

- und an dieser programmierbaren elektronischen Regeleinheit der Wert des Sensorsignals mit dem Wert eines gewünschten Signals verglichen und Kraftstoffinjektor-Regelsignale in Ansprechen auf das Sensorsignal erzeugt werden; und

- die Kraftstoffinjektor-Signale dem Kraftstoffinjektor zugeleitet werden, um die Pulsdauer und/oder Frequenz der Kraftstoffeinspritzung in Ansprechen auf eine Abweichung von gewünschten Maschinendrehzahlen zu modifizieren, die durch von der Turbomaschine angetroffene variable Betriebslasten verursacht werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Betriebssensor-Signale auf Basis der Umdrehungen pro Minute der Turbomaschine erzeugt werden.

- 17 -

- einen ersten Betriebs-Sensor, der Mittel zum Empfangen von auf Basis der Umdrehungen pro Minute der Turbomaschine erzeugte Sensorsignale hat, und einen zweiten Betriebs-Sensor, der Mittel zum Empfangen von auf Basis der Abgastemperatur der Turbomaschine erzeugten Sensorsignalen hat;

- eine programmierbare elektronische Regeleinheit mit integrierter Schaltung zum Empfangen und Vergleichen des Werts der Sensorsignale des ersten und zweiten Sensors der Turbomaschine mit einem Wert eines gewünschten Signals und zum Erzeugen von Kraftstoffinjektor-Regelsignalen in Ansprechen hierauf enthält; und

- eine Einrichtung zum Zuleiten von Kraftstoffinjektor-Regelsignalen zum Kraftstoffinjektor aufweist, um die Pulsdauer und/oder Frequenz der Kraftstoffeinspritzung in Ansprechen auf eine Abweichung von einer ausgewählten Betriebsfunktion zu modifizieren, die durch von der Turbomaschine angetroffene variable Betriebslasten verursacht sind.

18. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Betriebssensor-Signale auf Basis der Abgastemperatur der Turbomaschine erzeugt werden.

19. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Schritt des Erzeugens der Kraftstoffeinspritzungs-Regelsignale in der programmierbaren elektronischen Regeleinheit unter Verwendung eines Pulsweitenmodulationssystems bewerkstelligt wird, welches zumindest eines der Elemente: Festkörperschaltkreis, Mikroprozessor und Mikrocomputer umfasst.

20. Verfahren nach Anspruch 16, mit den zusätzlichen Schritten, dass eine steigende Abgastemperatur mit einer Temperatursonde erfasst wird und diese einem anderen Sensorsignal gegenüber vorgeht, um die Pulsbreite des Kraftstoffinjektors in Ansprechen an eine steigende Abgastemperatur zu reduzieren.