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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Steuerung einer
Flugzeugklimaanlage mit optimiertem Treibstoffverbrauch.
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In
Verkehrsflugzeugen werden derzeit zur Klimatisierung der Flugzeugkabine üblicherweise
sogenannte luftgestützte
Klimaanlagen eingesetzt. Eine Flugzeugklimaanlage dient der Kühlung der Flugzeugkabine,
die sonst durch Wärmelasten,
wie z. B. Sonneneinstrahlung, Körperwärme der
Passagiere und Abwärme
von an Bord des Flugzeugs vorhandenen Geräten zu stark erwärmt würde. Darüber führt die
Flugzeugklimaanlage ausreichend Frischluft in die Flugzeugkabine
zu, um sicherzustellen, dass in der Flugzeugkabine ein vorgeschriebener
Mindestanteil von Sauerstoff vorhanden ist. Der Aufbau und das Funktionsprinzip
einer derzeit gängigen
luftgestützten
Flugzeugklimaanlage ist in 1 veranschaulicht.
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Bei
der in 1 gezeigten Flugzeugklimaanlage wird heiße Prozessluft,
die im Flugbetrieb des Flugzeugs entweder von den Flugzeugtriebwerken abgezapft
oder durch separat von den Triebwerken ausgebildete Verdichter erzeugt
wird, einem Klimaaggregat zugeführt.
In dem Klimaaggregat wird die mit einer hohen Temperatur und einem
hohen Druck zugeführte
Prozessluft beim Durchströmen
einer Wärmetauschereinheit
sowie einer Verdichtungs- und Expansionseinheit derart aufbereitet,
dass sie die Verdichtungs- und Expansionseinheit als entspannte
und gekühlte
Prozessluft verlässt.
Die entspannte und gekühlte
Prozessluft wird als Frischluft einer Mischkammer zugeführt, wo
sie mit aus der Flugzeugkabine abgeführter Rezirkulationsluft vermischt
wird. Die in der Mischkammer erzeugte Luftmischung aus Frischluft
und Rezirkulationsluft wird schließlich in die Flugzeugkabine
geleitet, wobei der der Flugzeugkabine aus der Mischkammer zugeführte Mischluftmassenstrom
zur Erzielung eines optimalen Kabinenkomforts möglichst konstant sein sollte. Folglich
sollte bei einer Verringerung des Frischluftanteils der Mischluft
der Rezirkulationsluftanteil entsprechend erhöht werden und umgekehrt. Bei
der Einstellung des Frischluftanteils der Mischluft müssen jedoch
sehr strenge Vorschriften der Luftfahrtbehörden beachtet werden, die für verschiedene
Flugzeugbetriebszustände
den einer Flugzeugkabine zuzuführenden
Frischluftmassenstrom beispielsweise in Abhängigkeit der Anzahl der sich
Bord des Flugzeugs befindenden Passagiere detailliert festlegen.
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In
der Wärmetauschereinheit
des Klimaaggregats, die mehrere Wärmetauscher umfassen kann,
wird die der Wärmetauschereinheit
zugeführte heiße Prozessluft
durch Wärmeenergietransfer
auf die Wärmetauschereinheit
durchströmende
kalte Flugzeugumgebungsluft gekühlt.
Die Flugzeugumgebungsluft wird der Wärmetauschereinheit durch einen
Staulufteinlasskanal mit einer niedrigen Temperatur und einem niedrigen
Druck zugeführt.
Nach dem Durchströmen
der Wärmetauschereinheit
verlässt
die durch Abgabe ihrer Kühlenenergie
auf die heiße
Prozessluft erwärmte
Umgebungsluft das Flugzeug durch einen Stauluftauslasskanal.
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Je
mehr heiße
Prozessluft als Treibwerkszapfluft von den Triebwerken eines Flugzeugs
bereitgestellt werden muss, desto höher ist der Treibstoffverbrauch
des Flugzeugs. Eine Erhöhung
des Treibstoffverbrauchs bei einer Steigerung des Prozessluftmassenstroms
tritt auch beim Einsatz separat von den Triebwerken ausgebildeter
Verdichter auf, da die zum Antrieb der Verdichter erforderliche
elektrische Energie von den Triebwerken bereitgestellt werden muss.
Dieser Zusammenhang ist in dem in 2 dargestellten
Diagramm veranschaulicht. Zur Minimierung des Treibstoffverbrauchs
im Flugbetrieb eines Flugzeugs sollte daher der dem Klimaaggregat zugeführte Prozessluftmassenstrom
so gering wie möglich
gehalten werden.
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Bei
gleichbleibender Temperatur der aus der Flugzeugkabine in die Mischkammer
der Flugzeugklimaanlage zugeführten
Rezirkulationsluft wird die Temperatur der aus der Mischkammer in
die Flugzeugkabine geführten
Mischluft durch den in die Mischkammer geleiteten Frischluftmassenstrom
sowie die Temperatur der der Mischkammer zugeleiteten Frischluft
bestimmt. Bei einer Verringerung des dem Klimaaggregat zur Aufbereitung
zugeführten Prozessluftmassenstroms
und einer unmittelbar daraus resultierenden Verringerung des zur
Zufuhr in die Mischkammer zur Verfügung stehenden Frischluftmassenstroms
muss daher bei gleichbleibendem Kühlleistungsbedarf der Flugzeugkabine
die Temperatur der in die Mischkammer geleiteten Frischluft entsprechend
verringert werden, wenn die in der Mischkammer der Flugzeugklimaanlage
erzeugte Luftmischung die Mischkammer mit einer gleichbleibenden
tiefen Temperatur verlassen soll. Eine Absenkung der Frischlufttemperatur
auf ein tieferes Niveau erfordert eine Erhöhung der Kühlleistung des Klimaaggregats.
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Die
Kühlleistung
des Klimaaggregats wird durch die von der Verdichtungs- und Expansionseinheit
bereitgestellte Kühlleistung
sowie die von der Wärmetauschereinheit
bereitgestellte Kühlleistung bestimmt.
Die von der Verdichtungs- und Expansionseinheit maximal zu erbringende
Kühlleistung
ist jedoch in der Regel durch den Systemdruck, d. h. den Druck limitiert,
mit dem die Prozessluft der Verdichtungs- und Expan sionseinheit
von den Triebwerken oder den separat von den Triebwerken ausgebildeten Verdichtern
zugeführt
wird. Eine Erhöhung
der Kühlleistung
des Klimaaggregats ist daher zumeist nur durch eine Erhöhung der
von der Wärmetauschereinheit
bereitgestellten Kühlleistung
möglich.
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Eine
Erhöhung
der von der Wärmetauschereinheit
des Klimaaggregats bereitgestellten Kühlleistung kann durch eine
Erhöhung
des Massenstroms der als Kühlluft
durch die Wärmetauschereinheit
geleiteten Umgebungsluft bewirkt werden. Dies erfordert die Freigabe
größerer Strömungsquerschnitte des
Staulufteinlasskanals und/oder des Stauluftauslasskanals, die üblicherweise
durch das Öffnen
entsprechender, die Strömungsquerschnitte
des Staulufteinlasskanals und/oder des Stauluftauslasskanals steuernder
Klappen bewirkt wird. Das Öffnen
der die Strömungsquerschnitte
des Staulufteinlasskanals und/oder des Stauluftauslasskanals steuernden Klappen
erhöht
jedoch aufgrund der Tatsache, dass die Klappen im geöffneten
Zustand aus der Flugzeugaußenhaut
herausragen, den Luftwiderstand und damit den Treibstoffverbrauch
des Flugzeugs. Dieser Zusammenhang ist in dem in 3 dargestellten
Diagramm veranschaulicht.
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Bei
gleichbleibendem Kühlleistungsbedarf der
Flugzeugkabine muss der Umgebungsluftmassenstrom durch die Wärmetauschereinheit
des Klimaaggregats zur Kompensation eines verringerten Prozessluftmassenstroms
umso stärker
erhöht
werden, je stärker
der Prozessluftmassenstrom verringert wird. Mit anderen Worten,
die die Strömungsquerschnitte
des Staulufteinlasskanals und/oder des Stauluftauslasskanals steuernden
Klappen müssen in
eine umso weiter geöffnete
Position gebracht werden, je weniger Prozessluft dem Klimaaggregat
von den Triebwerken des Flugzeugs oder den separat von den Triebwerken
ausgebildeten Verdichtern bereitstellt wird. Umgekehrt können die
Klappen umso weiter geschlossen werden, je höher der dem Klimaaggregat von
den Triebwerken des Flugzeugs oder den separat von den Triebwerken
ausgebildeten Verdichtern bereitstellte Prozessluftmassenstrom ist. Dieser
Zusammenhang ist in dem in 4 dargestellten
Diagramm veranschaulicht.
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Zusammenfassend
ist somit festzustellen, dass eine Verringerung des Prozessluftmassenstroms,
der von den Triebwerken des Flugzeugs abgezapft oder von separat
von den Triebwerken ausgebildeten Verdichtern bereitstellt wird,
zwar unmittelbar eine Senkung des Treibstoffverbrauchs des Flugzeugs
ermöglicht.
Die bei gleichbleibendem Kühlleistungsbedarf
der Flugzeugkabine zur Kompensation des verringerten Prozessluftmassenstroms
erforderliche Erhöhung
des Umgebungsluftmassenstroms durch die Wärmetauschereinheit des Klimaaggregats
hat jedoch eine Steigerung des Treibstoffverbrauchs des Flugzeugs
zu Folge.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System
zur Steuerung einer Flugzeugklimaanlage bereitzustellen, die in
verschiedenen Betriebssituationen der Flugzeugklimaanlage eine Optimierung
des Treibstoffverbrauchs des Flugzeugs ermöglichen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung
einer Flugzeugklimaanlage ein Zusammenhang zwischen einer Mehrzahl
von Werten eines einem Klimaaggregat der Flugzeugklimaanlage zuführbaren
Prozessluftmassenstroms und dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs
ermittelt. Aus diesem Zusammenhang kann der Einfluss einer Erhöhung bzw.
einer Verringerung des dem Klimaaggregat der Flugzeugklimaanlage
zugeführten
Prozessluftmassenstroms auf den Treibstoffverbrauch des Flugzeugs
abgeleitet werden. Ferner wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Steuerung einer Flugzeugklimaanlage ein Zusammenhang zwischen
einer Mehrzahl von Werten eines zur Kühlung des dem Klimaaggregat der
Klimaanlage zuführbaren
Prozessluftmassenstroms genutzten Umgebungsluftmassenstroms und dem
Treibstoffverbrauch des Flugzeugs ermittelt. Aus diesem Zusammenhang
ist der Einfluss einer Erhöhung
bzw. einer Verringerung des Umgebungsluftmassenstroms auf den Treibstoffverbrauch
des Flugzeugs ableitbar.
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Der
Prozessluftmassenstrom und der Umgebungsluftmassenstrom werden schließlich in
Abhängigkeit
einer vorgegebenen Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage derart gesteuert, dass der Treibstoffverbrauch
des Flugzeugs minimiert wird. Mit anderen Worten, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Steuerung einer Flugzeugklimaanlage werden sowohl der Einfluss
einer Variation des Prozessluftmassenstroms als auch der Einfluss
einer Variation des Umgebungsluftmassenstroms auf den Treibstoffverbrauch
des Flugzeugs bei der Steuerung der Flugzeugklimaanlage berücksichtigt.
Durch die Berücksichtigung
beider den Treibstoffverbrauch des Flugzeugs beeinflussenden Betriebsgrößen der Flugzeugklimaanlage
ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren
zur Steuerung einer Flugzeugklimaanlage im Vergleich zu aus dem
Stand der Technik bekannten Steuerungsverfahren, die lediglich eine Minimierung
des Prozessluftmassenstroms vorsehen, in allen Betriebszuständen der
Flugzeugklimaanlage eine Minimierung des durch den Betrieb der Flugzeugklimaanlage
verursachten Treibstoffverbrauchs.
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Der
Prozessluftmassenstrom und der Umgebungsluftmassenstrom können mit
Hilfe einer elektronischen Steuereinheit gesteuert werden. Da die zur
Steuerung des Pro zessluftmassenstroms und des Umgebungsluftmassenstroms
erforderliche Logik verhältnismäßig einfach
ist, kann die Steuerungsfunktion zur Steuerung des Prozessluftmassenstroms
und des Umgebungsluftmassenstroms auch problemlos in eine bestehende
elektronische Steuereinheit integriert werden. Dadurch können Mehrgewicht
und Mehrkosten durch zusätzliche
Geräte
verhindert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher verhältnismäßig einfach
auch in bestehenden Flugzeugklimaanlagen einsetzbar.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Steuerung einer Flugzeugklimaanlage kann einer vorgegebenen
Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage eine Mehrzahl an Wertepaaren des Prozessluftmassenstroms
und des Umgebungsluftmassenstroms zugeordnet werden, die die Erzielung
der vorgegebenen Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage ermöglichen.
Mit anderen Worten, vorzugsweise werden jeder vorgegebenen Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage mehrere Prozessluftmassenstrom- und Umgebungsluftmassenstrom-Wertepaare
zugeordnet, wobei der Prozessluftmassenstromwert in einem Wertepaar
umso höher
ist, je geringer der Umgebungsluftmassenstromwert des Wertepaars
ist. Umgekehrt ist der Prozessluftmassenstromwert eines Wertepaars
umso geringer, je höher
der Umgebungsluftmassenstromwert des Wertepaars ist. Vorzugsweise
erfolgt die beschriebene Zuordnung von Wertepaaren des Prozessluftmassenstroms
und des Umgebungsluftmassenstroms für jede Kühlleistung, die die Flugzeugklimaanlage
im Betrieb erbringen muss. Im Ergebnis existiert dann für jede Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage eine Mehrzahl an Kombinationsmöglichkeit
eines Prozessluftmassenstromwerts und eines Umgebungsluftmassenstromwerts
der die Erzielung der Kühlleistung
ermöglichen.
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Der
Wert eines Umgebungsluftmassenstroms, der einem Wert eines Prozessluftmassenstroms
in einem Wertepaar zugeordnet wird, kann anhand der bei dem Wert
des Prozessluftmassenstroms in dem Wertepaar zur Erzielung der vorgegebenen
Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage erforderlichen Frischlufttemperatur beim
Austritt aus dem Klimaaggregat bestimmt werden. Wie oben erläutert, muss
die Temperatur der Frischluft beim Austritt aus dem Klimaaggregat
zur Aufrechterhaltung einer gleichbleibenden Kühlleistung der Flugzeugklimaanlage
umso tiefer sein, je geringer der Prozessluftmassenstrom ist, der
dem Klimaaggregat von den Triebwerken des Flugzeugs oder von separat
von den Triebwerken ausgebildeten Verdichtern zugeführt wird.
Der einem Prozessluftmassenstromwert in einem Wertepaar zugeordnete
Umgebungsluftmassenstromwert gibt dann den Umgebungsluftmassenstrom
an, der erforderlich ist, um die Prozessluft auf die zur Erzielung
der vorgegebenen Kühlleis tung
der Klimaanlage erforderliche Temperatur beim Austritt aus dem Klimaaggregat
abzukühlen.
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Vorzugsweise
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Steuerung einer Flugzeugklimaanlage bei der Steuerung des Prozessluftmassenstroms
und des Umgebungsluftmassenstroms das Wertepaar des Prozessluftmassenstroms
und des Umgebungsluftmassenstroms aus der Mehrzahl der einer vorgegebenen
Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage zugeordneten Wertepaare des Prozessluftmassenstroms
und des Umgebungsluftmassenstroms ausgewählt, das die Minimierung des
Treibstoffverbrauches des Flugzeugs ermöglicht.
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Der
Zusammenhang zwischen der Mehrzahl von Werten eines einem Klimaaggregat
der Flugzeugklimaanlage zuführbaren
Prozessluftmassenstroms und dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs kann
beispielsweise durch Flugtests und/oder geeignete Simulationen ermittelt
werden. In ähnlicher
Weise kann der Zusammenhang zwischen der Mehrzahl von Werten eines
zur Kühlung
des dem Klimaaggregat der Flugzeugklimaanlage zuführbaren
Prozessluftmassenstroms genutzten Umgebungsluftmassenstroms und
dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs durch Flugtests und/oder geeignete
Simulationen ermittelt werden. Der Zusammenhang zwischen der Mehrzahl
von Werten eines einem Klimaaggregat der Flugzeugklimaanlage zuführbaren
Prozessluftmassenstroms und dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs
und der Zusammenhang zwischen der Mehrzahl von Werten eines zur
Kühlung
des dem Klimaaggregat der Flugzeugklimaanlage zuführbaren
Prozessluftmassenstroms genutzten Umgebungsluftmassenstroms und
dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs kann in Form einer mathematischen
Gleichung formuliert und in einem Speicher einer elektronischen
Steuereinheit hinterlegt werden. Alternativ dazu können auch
Wertetabellen erstellt und in dem Speicher der elektronischen Steuereinheit
gespeichert werden, aus denen der Zusammenhang zwischen der Mehrzahl
von Werten eines einem Klimaaggregat der Flugzeugklimaanlage zuführbaren
Prozessluftmassenstroms und dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs
und der Zusammenhang zwischen der Mehrzahl von Werten eines zur
Kühlung
das dem Klimaaggregat der Flugzeugklimaanlage zuführbaren
Prozessluftmassenstroms genutzten Umgebungsluftmassenstroms und
dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs hervorgehen.
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Der
Umgebungsluftmassenstrom kann durch eine entsprechende Steuerung
des Strömungsquerschnitts
eines Staulufteinlasskanals gesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich dazu
kann der Umgebungsluftmassenstrom auch durch eine entsprechende
Steuerung des Strömungsquerschnitts
eines Stauluftauslasskanals gesteuert wer den. Die Steuerung des
Strömungsquerschnitts
des Staulufteinlasskanals kann mit Hilfe einer Staulufteinlasskanalklappe
erfolgen. In ähnlicher
Weise kann die Steuerung des Strömungsquerschnitts
des Stauluftauslasskanals mit Hilfe einer Stauluftauslasskanalklappe
erfolgen.
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Ein
erfindungsgemäßes System
zur Steuerung einer Flugzeugklimaanlage umfasst eine elektronische
Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, auf der Grundlage eines
Zusammenhangs zwischen einer Mehrzahl von Werten eines einem Klimaaggregat der
Flugzeugklimaanlage zuführbaren
Prozessluftmassenstroms und dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs
und auf der Grundlage eines Zusammenhangs zwischen einer Mehrzahl
von Werten eines zur Kühlung
des dem Klimaaggregat der Flugzeugklimaanlage zuführbaren
Prozessluftmassenstroms genutzten Umgebungsluftmassenstroms und
dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs den Prozessluftmassenstrom
und den Umgebungsluftmassenstrom in Abhängigkeit einer vorgegebenen
Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage derart zu steuern, dass der Treibstoffverbrauch
des Flugzeugs minimiert wird. Die elektronische Steuereinheit kann
eine separate Steuereinheit sein oder in eine bestehende Steuereinheit
integriert sein.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Steuerungssystem
kann einer vorgegebenen Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage eine Mehrzahl an Wertepaaren des Prozessluftmassenstroms
und des Umgebungsluftmassenstroms zugeordnet sein, die die Erzielung der
vorgegebenen Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage ermöglichen.
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Vorzugsweise
ist der Wert eines Umgebungsluftmassenstroms, der einem Wert eines
Prozessluftmassenstroms in einem Wertepaar zugeordnet ist, anhand
der bei dem Wert des Prozessluftmassenstroms in dem Wertepaar zur
Erzielung der vorgegebenen Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage erforderlichen Frischlufttemperatur beim
Austritt aus dem Klimaaggregat bestimmt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen System
zur Steuerung einer Flugzeugklimaanlage ist die elektronische Steuereinheit
vorzugsweise ferner dazu eingerichtet, bei der Steuerung des Prozessluftmassenstroms
und des Umgebungsluftmassenstroms das Wertepaar des Prozessluftmassenstroms
und des Umgebungsluftmassenstroms aus der Mehrzahl der einer vorgegebenen
Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage zugeordneten Wertepaare des Prozessluftmassenstroms
und des Umgebungsluftmassenstroms auszuwählen, das die Minimierung des
Treibstoffverbrauchs des Flugzeugs ermöglicht.
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Der
Zusammenhang zwischen der Mehrzahl von Werten eines einem Klimaaggregat
der Flugzeugklimaanlage zuführbaren
Prozessluftmassenstroms und dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs kann
durch Flugtests und/oder geeignete Simulationen ermittelt und in
Form einer mathematischen Gleichung oder einer Wertetabelle in einem
Speicher der elektronischen Steuereinheit gespeichert sein. In ähnlicher
Weise kann der Zusammenhang zwischen der Mehrzahl von Werten eines
zur Kühlung
des dem Klimaaggregat der Flugzeugklimaanlage zuführbaren
Prozessluftmassenstroms genutzten Umgebungsluftmassenstroms und
dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs durch Flugtests und/oder geeignete
Simulationen ermittelt und in Form einer mathematischen Gleichung
oder einer Wertetabelle in einem Speicher der elektronischen Steuereinheit
gespeichert sein.
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Die
elektronische Steuereinheit des erfindungsgemäßen Systems zur Steuerung einer
Flugzeugklimaanlage kann dazu eingerichtet sein, den Umgebungsluftmassenstrom
durch eine entsprechende Steuerung des Strömungsquerschnitts eines Staulufteinlasskanals
und/oder des Strömungsquerschnitts
eines Stauluftauslasskanals zu steuern. Zur Steuerung des Strömungsquerschnitts
des Staulufteinlasskanals kann eine Staulufteinlasskanalklappe zum
Einsatz kommen. Zur Steuerung des Strömungsquerschnitts des Stauluftauslasskanals
kann eine Stauluftauslasskanalklappe verwendet werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nun anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen
näher erläutert, von
denen
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1 eine
Darstellung des Aufbaus und des Funktionsprinzips einer bekannten
Flugzeugklimaanlage zeigt,
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2 ein
Diagramm zeigt, in dem der Zusammenhang zwischen einem einem Klimaaggregat einer
Flugzeugklimaanlage zugeführten
Prozessluftmassenstroms und dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs
veranschaulicht ist,
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3 ein
Diagramm zeigt, in dem der Zusammenhang zwischen einer Stauluftkanalklappenposition
und dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs veranschaulicht ist,
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4 ein
Diagramm zeigt, in dem der Zusammenhang zwischen einem einem Klimaaggregat einer
Flugzeugklimaanlage zugeführten
Prozessluftmas senstrom und einer zur Erzielung einer gleichbleibenden
Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage erforderlichen Stauluftkanalklappenposition
veranschaulicht ist und
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5 eine
Flugzeugklimaanlage zeigt, die so gesteuert wird, dass der durch
den Betrieb der Flugzeugklimaanlage verursachte Treibstoffverbrauch
minimiert wird.
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Die
in 5 gezeigte Flugzeugklimaanlage 10 umfasst
ein Klimaaggregat 12 mit einer Verdichtung- und Expansionseinheit 14 sowie
eine Wärmetauschereinheit 16.
Ferner umfasst das Klimaaggregat 12 der Flugzeugklimaanlage 10 eine
Reihe von verschiedenen Regel- und Steuerventilen 18.
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Dem
Klimaaggregat 12 der Flugzeugklimaanlage 10 wird
von den Triebwerken des Flugzeugs abgezapfte oder durch separat
von den Treibwerken ausgebildete Verdichter erzeugte Prozessluft
mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck zugeführt. Die
Steuerung der Prozessluftzufuhr in das Klimaaggregat 12 erfolgt
mittels eines Prozessluftzufuhrregelsystems 20. In dem
Klimaaggregat 12 wird die Prozessluft beim Durchströmen der
Wärmetauschereinheit 16 sowie
der Verdichtungs- und Expansionseinheit 14 derart aufbereitet,
dass sie das Klimaaggregat 12 als entspannte und auf eine
gewünschte
Temperatur abgekühlte
Frischluft verlässt. Die
Frischluft wird einer Mischkammer 22 zugeführt, wo
sie mit aus einer Flugzeugkabine 24 abgeführter Rezirkulationsluft
vermischt wird. Die Mischkammer 22 und eine mit der Mischkammer 22 verbundene Rezirkulationsluftleitung
ist bei den meisten Flugzeugtypen innerhalb des bedruckten Rumpfbereich des
Flugzeugs angeordnet. Es gibt jedoch auch Flugzeugtypen, bei denen
sich die Mischkammer 22 außerhalb des bedruckten Rumpfbereichs
befindet. Die in der Mischkammer 22 erzeugte Luftmischung
aus Frischluft und Rezirkulationsluft wird schließlich in
die Flugzeugkabine 24 geleitet.
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Zur
Kühlung
der die Wärmetauschereinheit 16 durchströmenden Prozessluft
wird Flugzeugumgebungsluft genutzt, die der Wärmetauschereinheit 16 durch
einen bezogen auf die Richtung der Umgebungsluftströmung stromaufwärts der
Wärmetauschereinheit 16 angeordneten
Staulufteinlasskanal 26 zugeführt wird. Die Abfuhr der Flugzeugumgebungsluft
aus der Wärmetauschereinheit 16 erfolgt durch
einen bezogen auf die Richtung der Umgebungsluftströmung stromabwärts der
Wärmetauschereinheit 16 angeordneten
Stauluftauslasskanal 28. Der Strömungsquerschnitt des Staulufteinlasskanals 26 wird
mittels einer Staulufteinlasskanalklappe 30 gesteu ert.
In ähnlicher
Weise wird der Strömungsquerschnitt
des Stauluftauslasskanals 28 mittels einer Stauluftauslassklappe 32 gesteuert.
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Eine
elektronische Steuereinheit 34 empfängt Signale, die der elektronischen
Steuereinheit 34 von in der Flugzeugkabine 24 angeordneten
Sensoren 36 zugeführt
werden. Alternativ oder zusätzlich dazu
können
die Sensoren 36 oder weitere Sensoren auch in der Mischkammer 22 und
damit innerhalb oder außerhalb
des bedruckten Rumpfbereich des Flugzeugs angeordnet sein. Die von
den Sensoren 36 bereitgestellten Signale können für die Temperatur
in der Flugzeugklimaanlage, den Druck in der Flugzeugklimaanlage
sowie weitere Parameter charakteristische Signale sein. Anhand der
ihr von den Sensoren 36 zugeführten Signalen ermittelt die
elektronische Steuereinheit 34 die zur Deckung des Kühlbedarfs
der Flugzeugkabine 24 von der Flugzeugklimaanlage 10 aufzubringende
Kühlleistung.
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Bei
gleichbleibender Temperatur der aus der Flugzeugkabine 24 in
die Mischkammer 22 der Flugzeugklimaanlage 10 zugeführten Rezirkulationsluft wird
die Temperatur der aus der Mischkammer 22 in die Flugzeugkabine 24 geführten Mischluft
durch den in die Mischkammer 22 geleiteten Frischluftmassenstrom
sowie die Temperatur der der Mischkammer 22 zugeleiteten
Frischluft bestimmt. In der Mischkammer 22 kann folglich
ein geringerer Frischluftmassenstrom mit einem entsprechend erhöhten Rezirkulationsluftmassenstrom
zur Erzeugung von Mischluft mit einer gleichbleibenden Temperatur
vermischt werden, sofern die Temperatur der der Mischkammer 22 zugeführten Frischluft
entsprechend abgesenkt werden kann. Eine Absenkung der Temperatur
der der Mischkammer 22 zugeführten Frischluft kann durch eine
Erhöhung
des Umgebungsluftmassenstroms durch die Wärmetauschereinheit 16 und
die daraus resultierende Erhöhung
der Kühlleistung
der Wärmetauschereinheit 16 realisiert
werden.
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Jeder
zur Deckung eines bestimmten Kühlbedarfs
der Flugzeugklimaanlage 24 erforderlichen Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage 10 ist somit eine Mehrzahl an Wertepaaren
des dem Klimaaggregat 12 zugeführten Prozessluftmassenstroms
und des durch die Wärmetauschereinheit 16 geleiteten Umgebungsluftmassenstroms
zuzuordnen. Mit anderen Worten, jede Kühlleistung der Flugzeugklimaanlage 10 kann
durch eine Mehrzahl von Prozessluftmassenstromwert- und Umgebungsluftmassenstromwertkombinationen
realisiert werden. Der einem Prozessluftmassenstromwert in einem
Wertepaar zugeordnete Umgebungsluftmassenstromwert wird anhand der
bei dem Prozessluftmassenstromwert des Wertepaars zur Erzielung
einer vorgegebe nen Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage 10 erforderlichen Frischlufttemperatur
bestimmt.
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Die
den verschiedenen Kühlleistungen
der Flugzeugklimaanlage zuzuordnenden Wertepaare des Prozessluftmassenstroms
und des Umgebungsluftmassenstroms sind in einem Speicher entweder in
Form einer mathematischen Gleichung oder in Form von Wertetabellen
gespeichert und dem Zugriff durch die elektronische Steuereinheit 34 zugänglich. Die
elektronische Steuereinheit 34 kann folglich für jede Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage 10, die von der elektronischen
Steuereinheit 34 anhand der der elektronischen Steuereinheit 34 von
den Sensoren 36 zugeführten
Signale ermittelt wird, aus einer Mehrzahl von Wertepaaren des Prozessluftmassenstroms
und des Umgebungsluftmassenstroms wählen, die die Erzielung dieser
Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage 10 ermöglichen.
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Je
mehr heiße
Prozessluft dem Klimaaggregat 12 von den Triebwerken des
Flugzeugs durch separat von den Treibwerken ausgebildete Verdichter bereitgestellt
wird, desto höher
ist der Treibstoffverbrauch des Flugzeugs. Der genaue Zusammenhang zwischen
dem dem Klimaaggregat 12 der Flugzeugklimaanlage 10 zugeführten Prozessluftmassenstrom
und dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs kann durch Flugtests und/oder
geeignete Simulationen ermittelt werden. In einem Speicher, auf
den von der elektronischen Steuereinheit 34 zugegriffen
werden kann, ist der vom Flugzeugtyp sowie von der Art des Flugzeugbetriebs
auf Kurz- oder Langstrecken anhand von Flugtests und/oder Simulationen
ermittelte Zusammenhang zwischen dem dem Klimaaggregat 12 zugeführten Prozessluftmassenstrom
und dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs in Form einer mathematischen
Gleichung oder in Form von Wertetabellen hinterlegt.
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Eine
zur Erhöhung
der Kühlleistung
der Wärmetauschereinheit 16 erforderliche
Erhöhung
des Umgebungsluftmassenstroms durch die Wärmetauschereinheit 16 kann
durch die Freigabe größerer Strömungsquerschnitte
des Staulufteinlasskanals 26 und/oder des Stauluftauslasskanals 28 bewirkt
werden. Das Öffnen
der die Strömungsquerschnitte
des Staulufteinlasskanals 26 und/oder des Stauluftauslasskanals 28 steuernden
Klappen 30, 32 erhöht jedoch aufgrund der Tatsache,
dass die Klappen 30, 32 im geöffneten Zustand aus der Flugzeugaußenhaut herausragen,
und ein Mehrverbrauch an Umgebungsluftmassenstrom den Luftwiderstand
und damit den Treibstoffverbrauch des Flugzeugs. Der genaue Zusammenhang
zwischen dem durch die Wärmetauschereinheit 16 geleiteten
Umgebungsluftmassenstrom und dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs kann
wiederum durch Flugtests und/oder geeignete Simulationen ermittelt
werden. In einem Speicher, auf den die elektronische Steuereinheit 34 zugreifen kann,
ist der durch Flugtests und/oder Simulationen ermittelte Zusammenhang
zwischen dem Umgebungsluftmassenstrom durch die Wärmetauschereinheit 16 und
dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs in Form einer mathematischen
Gleichung oder in Form von Wertetabellen hinterlegt.
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Für eine von
der elektronischen Steuereinheit 34 anhand der der elektronischen
Steuereinheit 34 von den Sensoren 36 zugeführten Signale
ermittelte erforderliche Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage 10 wählt die elektronische Steuereinheit 34 aus den
der erforderlichen Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage 10 zugeordneten Wertepaaren des
Prozessluftmassenstroms und des Umgebungsluftmassenstroms unter
Berücksichtigung
des Zusammenhangs zwischen dem dem Klimaaggregat 12 zugeführten Prozessluftmassenstrom
und dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs sowie des Zusammenhangs
zwischen dem durch die Wärmetauschereinheit 16 geleiteten
Umgebungsluftmassenstroms und dem Treibstoffverbrauch des Flugzeugs
das Wertepaar des Prozessluftmassenstroms und des Umgebungsluftmassenstroms
aus, das eine Minimierung des Treibstoffverbrauchs des Flugzeugs
ermöglicht. Mit
anderen Worten, die elektronische Steuereinheit 34 berücksichtigt
nicht nur den Einfluss des dem Klimaaggregat 12 zugeführten Prozessluftmassenstroms
auf den Treibstoffverbrauch des Flugzeugs sondern auch den Einfluss
des durch die Wärmetauschereinheit 16 geleiteten
Umgebungsluftmassenstroms auf den Treibstoffverbrauch des Flugzeugs. Die
elektronische Steuereinheit 34 wird folglich für jede Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage 10 einen Prozessluftmassenstromwert
auswählen,
der zwar zur Erzielung von Treibstoffersparnissen möglichst gering,
aber nicht so gering ist, dass die durch die Senkung des Prozessluftmassenstroms
erzielte Verringerung des Treibstoffverbrauchs kleiner ist als die Erhöhung des
Treibstoffverbrauchs, die durch die zur Erzielung der erforderlichen
Kühlleistung
der Flugzeugklimaanlage 10 nötige Erhöhung des Umgebungsluftmassenstroms
durch die Wärmetauschereinheit 16 verursacht
wird. Die elektronische Steuereinheit 34 steuert den Prozessluftmassenstrom
in das Klimaaggregat 12 sowie den Umgebungsluftmassenstrom
durch die Wärmetauschereinheit 16 somit
stets so, dass der Treibstoffverbrauch des Flugzeugs minimiert wird.
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Die
Steuerung des Prozessluftmassenstroms in das Klimaaggregat 12 erfolgt
mit Hilfe der elektronischen Steuereinheit 34 durch entsprechende
Ansteuerung des Prozessluftzufuhrregelsystems 20. Die Steuerung
des Umgebungsluftmassenstroms durch die Wärmetauschereinheit 16 mit
Hilfe der elektronischen Steuereinheit 34 erfolgt durch
entsprechende Ansteuerung der Staulufteinlasskanalklappe 30 und/oder
der Stauluftauslasskanalklappe 32.