DE2848199A1

DE2848199A1 - Regelung von luftzufuhr und brennstoffmenge einer hilfsbrennkammer

Info

Publication number: DE2848199A1
Application number: DE19782848199
Authority: DE
Inventors: Franz Ing Grad Butscher
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH; Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1978-11-07
Filing date: 1978-11-07
Publication date: 1980-05-08
Also published as: CH643034A5; FR2449785B1; GB2034081B; FR2449785A1; GB2034081A; IT1162432B; IT7950745A0; US4389846A

Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
FRIEDRICHSHAFEN GMBH

Friedrichshafen

Regelung von Luftzufuhr und Brennstoffmenge einer Hilfsbrennkammer

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelung von Luftzufuhr und Brennstoffmenge einer Hilfsbrennkammer entsprechend dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung bezweckt die Verwirklichung einer verbesserten Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen, ohne daß sich die maximale Maschinenleistung vergrößert.

Es ist eine Brennkraftmaschine mit einer Hilfsbrennkammer bekannt, bei der die Regelung rein mechanisch arbeitet.

Der Einfluß der verschiedenen Parameter, z. B. Sollwert und Grenzwert des Ladeluftdruckes, auf die Abstimmung zwischen Brennkraftmaschine und Hilfsbrennkammer wird bei der bekannten Regelung durch eine speziell auf die jeweils vorliegenden Verhältnisse abgestimmte Kurvenscheibe berücksichtigt. Die Form der Kurvenscheibe muß für jede Kombination einer Brennkraftmaschine mit einer Hilfsbrennkammer neu ermittelt werden. Diese Abstimmarbeiten erfordern aufwendige Versuchsläufe auf dem Prüfstand, was die Produktion sehr unwirtschaftlich macht. Eine universelle An-

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wendbarkeit der bekannten Regelung ist nicht gegeben. Außerdem hat sich gezeigt, daß die mechanisch arbeitende Regelung mit erheblicher Trägheit behaftet ist und daß nicht alle Einflußgrößen in wünschenswerter Weise für eine optimale Ab-Stimmung berücksichtigt werden können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Regelung für Luftzufuhr und Brennstoffmenge einer Hilfsbrennkammer zu schaffen, die die Nachteile der bekannten mechanischen Regelung vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst. Die Geräte, die Luftzufuhr und Brennstoffmenge für die Hilfsbrennkammer bestimmen, sind hierbei nicht mehr mechanisch gekoppelt, sondern über eine aus mehreren Gliedern bestehende logische Schaltung miteinander verkettet. Die für eine beliebige Kombination zwischen einer Brennkraftmaschine und einer Hilfsbrennkammer erforderliche Anpassung der beiden Größen Luftzufuhr und Brennstoffmenge sind mit Hilfe der Kurvenanpaßglieder unabhängig voneinander regulierbar. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 7.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß auf Grund der einfachen Anpaßbarkeit die Regelung universell einsetzbar ist, daß die logische Verkettung eine nur geringe Trägheit der Regelung ergibt, daß die gewünschte Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine treffsicher realisierbar ist, daß gegenüber der mechanischen Regelung Bauteile wegfallen und dadurch Kosten, Platz und Gewicht eingespart werden, und daß auf einfache Weise zusätzliche Einflußgrößen im Regelkreis berücksichtigt werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend näher beschrieben.

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Eine Brennkraftmaschine 11 wird von einem aus Abgasturbine 13 und Verdichter 14 bestehenden Aufladeaggregat 12 mit vorverdichteter Ladeluft versorgt, die vor Eintritt in die Zylinder 16 einen Ladeluftkühler 15 durchströmt. Von der Ladeluftleitung 17 zweigt eine Leitung 18 ab, die Verbrennungsluft einer Hilfsbrennkammer 19 zuführt. Der durch eine Leitung 22 in die Hilfsbrennkammer 19 eingespeiste Kraftstoff verbrennt, wonach das entstandene Abgas über eine Leitung 20 in die Abgasleitung 21 der Brennkraftmaschine Ii gelangt und neben dem Abgas aus der Brennkraftmaschine als zusätzliches Treibgas an der Abgasturbine zur Verfugung steht.

Die Leistung der Hilfsbrennkammer 19 wird in der Weise geregelt, daß ihre Gaserzeugung ausreicht, um das Defizit in der Abgasmenge aus der Brennkraftmaschine zu decken und das Aufladeaggregat 12 in der Lage ist, einen gleichbleibenden Ladeluftdruck in der Ladeluftleitung 17 zu erzeugen. Der Ladeluftdruck, der allein aus der Abgasmenge der Brennkraftmaschine 11 bei Vollast resultiert, soll dabei jedoch nicht überschritten werden.

Mit einer durch einen regelbaren Elektromagneten 25 verstellbaren Drosselklappe 23 in der Leitung 18 wird die zur Hilfsbrennkammer 19 gelangende Luftmenge bestimmt, während die zu dieser Luftmenge benötigte Kraftstoffmenge von einer Pumpe 24 geliefert wird, deren Fördervolumen durch einen drehzahlgeregelten Elektromotor 26 veränderbar ist.

Die Stellung der Drosselklappe 23 und die Drehzahl des Elektromotors 26 werden durch eine elektronische Schaltung in Abhängigkeit des Ladeluftdruckes in Leitung 17 geregelt. In der Ladeluftleitung 17 ist dazu der Sensor 27 eines Druckaufnehmers 28 angeordnet, der ein dem momentanen Ladeluftdruck entsprechendes Istwertsignal abgibt. Über einen Eingangsverstärker 29 gelangt das Istwertsignal zu einem Vergleicher 30» wo es mit der von

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einem Festwerteinsteller 32 gelieferten, dem gewünschten gleichbleibenden Ladeluftdruck entsprechenden Führungsgröße verglichen wird. Die dabei ermittelte Differenz ist das Eingangssignal für einen Proportional-Ilegler 31. Dessen Ausgangssignal ist eine der festgestellten Druckdifferenz proportionale Größe und wird zur Umformung zwei Kurvenanpaßgliedern 33 und 34 zugeführt, die je einem Luftzufuhrregler 35 bzw. einem Kraftverstärker 36 für die Brennstoffmengenregelung vorgeschaltet sind.

Das Ausgangssignal des Luftzufuhrreglers 35 1st die Stellgröße für den Elektromagneten^dessen Hub stetig veränderbar ist. Die jeweilige Stellung der Drosselklappe 23 wird durch einen Stellungsaufnehmer 37 kontrolliert und in Form eines Signals an einen Vergleicher 38 gemeldet, wo es mit dem Ausgangssignal aus dem Kurvenanpaßglied 33 verglichen wird und nur die dabei ermittelte Differenz das eigentliche Eingangssignal des Luftzufuhrreglers 35 ist.

Der Kraftverstärker 36 liefert ein Ausgangssignal in Form einer variablen Speisespannung für den Elektromotor 26 der Pumpe 24. Zwischen Proportional-Regler 31 und Kurvenanpaßglied 34 für die Brennstoffmengenregelung ist ein automatischer Umschalter 39 angeordnet, der bei Erreichen eines vorbestimmten Grenzwertes für den Ladeluftdruck seine Schaltstellung wechselt. Das Schaltkommando wird dem Umschalter 39 von einem Grenzwertgeber 42 gegeben. Die erste SchaltStellung des Umschalters 39 bewirkt, daß das Ausgangssignal des Proportional-Reglers 31 vom Beginn des Brennkammerbetriebes an am Kurvenanpaßglied 34 nicht wirksam wird, sondern das nach dem Eingangsverstärker 29 bei 40 ausgekoppelte und über einen weiteren Verstärker 41 geführte Istwertsignal, das eine dem momenten Ladeluftdruck proportionale Größe ist. Durch diese Schaltungsmaßnahme wird erreicht, daß bei Beginn des Brennkammerbetriebes das Ausgangssignal des Proportional-Reglers 31 zunächst nur am

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Luftzufuhrregler 35 wirksam wird, während der Kraftverstärker 36 von einem dem Ladeluftdruck proportionalen Signal beeinflußt wird. In dieser Betriebsphase weist der Ladeluftdruck in der Ladeluftleitung 17 eine große Differenz zum Sollwert auf. Diese große Druckdifferenz kann nur ausgeglichen werden, wenn von der Hilfsbrennkammer 19 eine entsprechende Menge Treibgas an die Abgasturbine 13 des Aufladeaggregates 12 geliefert wird. Der vom Proportional-Regler 31 ausgehende Regelimpuls für den Luftzufuhrregler 35 ist daher so beschaffen, daß die Drosselklappe 23 eine Stellung für maximalen Luftdurchgang einnimmt. Dabei ist in dieser ersten Betriebsphase nach Einschalten der Hilfsbrennkammer 19 die ihr zunächst zur Verfügung stehende Luftmenge noch gering, weil auch der Ladeluftdruck noch gering ist und beide Größen einander proportional sind. Der Kraftverstärker 36 wird jedoch wegen der Schaltstellung des Umschalters 39 nicht vom Ausgangssignal des Proportional -Reglers 31 beeinflußt, sondern vom Ausgangssignal des Verstärkers 41, das, wie schon erwähnt, eine dem momentanen Ladeluftdruck proportionale Größe ist. Das bedeutet, daß bei geringem Ladeluftdruck, wie er bei Betriebsbeginn der Hilfsbrennkammer 19 in der Regel vorhanden ist, die Pumpe 24 vom Kraftverstärker 36 auch nur zu einer entsprechend geringen Förderleistung veranlaßt wird.

Die Hilfsbrennkammer 19 wird dadurch in einem der jeweils zur Verfügung stehenden Verbrennungsluftmenge entsprechenden Verhältnis mit Brennstoff versorgt, so daß von Betriebsbeginn an eine optimale Verbrennung gewährleistet ist.

Erreicht der Ladeluftdruck einen vorbestimmten Grenzwert, so erzeugt der Grenzwertgeber 42 ein Schaltkommando, das den automatischen Umschalter 39 in seine andere Schaltstellung kippen läßt. Dadurch ist dann der normale Betriebszustand der Regelung gegeben, bei dem die Regelimpulse des Proportional-Reglers 31 auch am Kraftverstär-

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ker 36 wirksam sind. Stellung der Drosselklappe 23 und Förderleistung der Pumpe 2k werden dann mit dem der festgestellten Druckdifferenz proportionalen Signal des Proportional -Reglers 31 verändert.

Durch die Zufuhr von zusätzlichem Gas aus der Hilfsbrennkammer 19 zur Abgasturbine 13 des Aufladeaggregates 12 kann bei ungünstigen Betriebszuständen für die Abgasturbine 13 Überhitzungsgefahr eintreten. Zur Vermeidung dieser Betriebsgefährdung ist vor Turbineneintritt in der Abgasleitung ein Sensor 43 eines Temperatur-Grenzwertaufnehmers kk angeordnet. Bei Überschreiten der Temperaturgrenze beeinflußt der Temperatur-Grenzwertaufnehmer kk den Kraftverstärker für die Brennstoffmengenregelung in Richtung auf Verringerung der Brennstoffmenge für die Hilfsbrennkammer 19. Da die Hilfsbrennkammer 19 dann mit größerem Luftüberschuß arbeitet, sinkt die Temperatur der erzeugten Gase.

Für die Funktion der vorstehend beschriebenen Regelung ist die Verwendung elektronischer Schaltelemente nicht zwingend erforderlich. Ebensogut ist die Verwendung von pneumatisch oder hydraulisch arbeitenden Logikelementen oder deren Kombination möglich.

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Claims

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
FRIEDRICIISHAFEN GMBH

Friedrichshafen

Patentansprüche

Regelung von Luftzufuhr und Brennstoffmenge einer Ililfsbrennkammer, die, einer Brennkraftmaschine mit Aufladeaggregat zugeordnet, zeitweise zusätzliches Gas zur Abgasturbine des Aufladeaggregates in Abhängigkeit von der momentanen Abgasmenge aus der Brennkraftmaschine liefert, so daß während Betriebszeiten der Hilfsbrennkammer das Aufladeaggregat in der Lage ist, einen gleichbleibenden Ladeluftdruck zu erzeugen, der den allein aus der Abgasmenge der Brennkraftmaschine bei Vollast resultierenden Ladeluftdruck nicht übersteigt, dadurch gekennzeichnet, daß ein in der Ladeluftleitung (17) der Brennkraftmaschine (11) angeordneter Sensor (27) einen Druckaufnehmer (28) beeinflußt, der ein dem momentanen Ladeluftdruck entsprechendes Istwertsignal abgibt, das über einen Eingangsverstärker (29) zu einem Vergleicher (30) gelangt, wo es mit der von einem Festwerteinsteller (32) gelieferten, dem gewünschten gleichbleibenden Ladeluftdruck entsprechenden Führungsgröße verglichen wird, und die ermittelte Differenz das Eingangssignal für einen Proportional-Regler (31) ist, dessen Ausgangssignal zur Umformung zwei Kurvenanpaßgliedern (33, 34) zugeführt wird,

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die einem Luftzufulirregler bzw. einem Kraftverstärker (36) für die Brennstoffmengenregelung jeweils vorgeschaltet sind.
2. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

vor dem Kurvenanpaßglied (34) für die Brennstoffmengenregelung ein automatischer, bei Erreichen eines vorbestimmten Grenzwertes für den Ladeluftdruck kippender Umschalter (39) angeordnet ist, so daß vom Beginn des Brennkammerbetriebes bis zum Erreichen des vorbestimmten Grenzwertes das zwischen Eingangsverstärker (29) und Vergleicher (30) ausgekoppelte und über einen Zwischenverstärker (4:1) geführte Istwertsignal den Kraftverstärker (36) für die Brennstoffmengenregelung beeinflußt und erst nach Kippen des Umschalters (39) das Ausgangssignal des Proportional-Reglers (31) am Kraftverstärker (36) für die Brennstoffzufuhr wirksam ist.
3. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Eintritt der Abgasturbine (13) der Sensor (43) eines Temperatur-Grenzwertaufnehmers (44) angeordnet ist, der ein den Kraftverstärker (36) für die Brennstoffmengenregelung zusätzlich beeinflussendes Grenzwertsignal liefert.
4. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motor (26) eine Pumpe (24) für die Brennstoffversorgung der Hilfsbrennkammer (19) antreibt, dessen Drehzahl zur Regelung der zu fördernden Brennstoffmenge veränderbar ist.
5. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (18) für die Verbrennungsluft der Hilfsbrennkammer (19) eine Drosselklappe (23) angeordnet ist, deren Stellung durch einen regelbaren Antrieb (25) gesteuert wird.
6. Regelung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellungs-Aufnehmer (37) die Stellung der Drossel-

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klappe (23) kontrolliert und ein der Drosselklappenstellung entsprechendes Istwertsignal an den Eingang des Luftzufuhr-Reglers (35) abgibt.

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