JP4644982B2

JP4644982B2 - 燃料流量制御装置

Info

Publication number: JP4644982B2
Application number: JP2001207309A
Authority: JP
Inventors: 精鋭増田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2001-07-09
Filing date: 2001-07-09
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2021-07-09
Also published as: JP2003020958A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、精度と応答性の両立が可能な燃料流量制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、ジェットエンジンの燃焼器に燃料を噴射するための従来の比例制御方式の燃料流量制御装置の構成図である。この図において、１は燃料ポンプ、２は計量バルブ、３はドレインバルブ、４はノズルであり、燃料ポンプ１で加圧した液体燃料（ジェット燃料）を、計量バルブ２で計量（流量調節）し、ドレインバルブ３を開き、ノズル４から燃焼器（図示せず）に噴射するようになっている。
【０００３】
計量バルブ２は、計量スプール２ａとノズルフラッパ２ｂを有し、ノズルフラッパ２ｂを電気的又は機械的に移動（図で左右に）させることにより、計量スプール２ａの左端に作用する流体圧が変化し、計量スプール２ａを左右に移動させて通過流量を制御する。例えば、この図でノズルフラッパ２ｂを右に移動させると、計量スプール２ａの左端圧力が上昇し、計量スプール２ａが右に移動して流量を絞り、逆にノズルフラッパ２ｂを左に移動させると、計量スプール２ａの左端圧力が低下し、計量スプール２ａが左に移動して流量が増加する。
【０００４】
従来の比例制御方式燃料流量制御装置は、更に、余分な燃料を燃料ポンプ１の上流側に戻すバイパスバルブ５を備えている。バイパスバルブ５の両端には、計量バルブ２は、上流側圧力Ｐ₁と下流側圧力Ｐ₂がバイパスライン９ａ，７ｂにより導かれ、その差圧ΔＰが大きいときには、バイパスバルブ５のスプール５ａを左に移動してバイパスライン９ａを開き、上流側圧力Ｐ₁を下げ計量バルブ２の通過流量を減少させ、逆に差圧ΔＰが小さいときには、バイパスバルブ５のスプール５ａを右に移動してバイパスライン９ａを閉じ、上流側圧力Ｐ₁を下げ計量バルブ２の通過流量を増加させるようになっている。
【０００５】
図３は、従来の積分制御方式の燃料流量制御装置の構成図である。この例では、バイパスバルブ５の他に、バイパスバルブ５を制御して、計量バルブ２の上流側圧力Ｐ₁と下流側圧力Ｐ₂の差圧ΔＰを一定に制御する差圧センサーバルブ６とを備えている。
【０００６】
計量バルブ２は、上流側圧力Ｐ₁と下流側圧力Ｐ₂の差圧ΔＰを一定に保持することにより、ノズルフラッパ２ｂの変位に通過流量が比例する。そのため、差圧センサーバルブ６のスプール６ａをバネ６で図で左側に付勢し、スプール６ａの左端に上流側圧力Ｐ₁、右端に下流側圧力Ｐ₂をそれぞれパイロットライン７ａ，７ｂで導いている。
【０００７】
差圧ΔＰが所定の値より小さくなると、この図でスプール６ａが左に移動し、パイロットライン８ａから８ｂに高圧（上流側圧力Ｐ₁）の燃料が流れ、バイパスバルブ５のスプール５ａを右に移動してバイパスライン９ｂを閉じ、上流側圧力Ｐ₁を高め計量バルブ２の通過流量を増加させる。
【０００８】
逆に、差圧ΔＰが所定の値より大きくなると、この図でスプール６ａが右に移動し、バイパスバルブ５のバネ５ｂ側の圧力をパイロットライン８ｂ，８ｃを介して燃料ポンプ１の上流側（低圧部）に抜き、バイパスバルブ５のスプール５ａを左に移動してバイパスライン９ｂを開き、上流側圧力Ｐ₁を下げ計量バルブ２の通過流量を減少させる。
【０００９】
上述した構成により、差圧センサーバルブ６により上流側圧力Ｐ₁と下流側圧力Ｐ₂の差圧ΔＰを常に一定に保持し、ノズルフラッパ２ｂの変位に比例した燃料流量をノズル４から噴射することができるようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来の比例制御方式燃料流量制御装置（図２）では、差圧制御弁（この場合、バイパスバルブ５）にセットしたバネ５ｂのバネ力（ｋ×Δδ）と計量バルブ２の上流側と下流側の差圧ΔＰ×受圧面積Ａの力が作動して、バイパスバルブ５のスプール５ａを動かし、この変位に応じて計量バルブ２の上流側圧力Ｐ₁の燃料を低圧側（ポンプ上流側）にバイパスして計量弁前燃料圧力を制御するようになっている。従って、上流側圧力Ｐ₁：大→バイパスバルブ５が開き、Ｐ₁：小→バイパスバルブ５が閉じる。
【００１１】
上述した比例制御方式の応答性は差圧制御弁の固有振動数が支配的である。この点では優れているが、定常偏差があり、この定常偏差の原因は流体力であるため、閉ループのゲインを大きくしても影響を受ける問題点があった。
【００１２】
一方、従来の積分制御方式燃料流量制御装置（図３）では、差圧センサバルブ６にセットバネ力（ｋ×Δδ）と計量バルブの差圧ΔＰ×受圧面積Ａの力が作用して、差圧センサバルブ６のスプール６ａを動かし、バイパスバルブ５にサーボライン８ｂから高圧又は低圧の燃料が供給され、供給された流量の積分値（容積）が、バイパスバルブ５の変位となり、この変位に応じて計量弁前の燃料を低圧にバイパスして計量弁前燃料圧力を制御する。従って、上流側圧力Ｐ₁：大→差圧センサバルブ６：低圧供給→バイパスバルブ５が開き、Ｐ₁：小→差圧センサバルブ６：高圧供給→バイパスバルブ５が閉じる。
【００１３】
上述した積分制御方式は、定常偏差が無く、流体力の影響を積分制御により除去できる点で優れているが、その反面、応答性が低い問題点があった。すなわち、積分制御方式では、差圧センサバルブの応答性（バンド幅）の１／５〜１／３｛２００Ｈｚ／（３〜５）｝であり、差圧センサーバルブの固有振動数で位相が９０゜遅れ、バイパスバルブの積分要素で９０゜遅れる。従って上記範囲程度でないと十分な位相余裕がとれず発振する問題点があった。
【００１４】
言い換えれば、従来の比例型差圧制御弁では、流体力による誤差が大きく、積分型差圧制御弁では、応答性が悪く発振しやすい問題点があった。
【００１５】
本発明はかかる問題点を解決するために、創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、高い応答性を得ることができ、かつ流体力の影響を除去して定常偏差を無くすことができ、これにより精度と応答性の両立が可能な燃料流量制御装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、液体燃料を加圧する燃料ポンプ（１）と、加圧した燃料を計量して燃焼器に供給する計量バルブ（２）と、加圧した燃料を燃料ポンプの上流側にバイパスさせて戻すバイパスバルブ（１０）と、このバイパスバルブを制御する差圧センサーバルブ（６）とを備え、燃料ポンプで加圧した液体燃料を、計量バルブで計量しノズル（４）から噴射する燃料流量制御装置において、前記差圧センサーバルブ（６）は、計量バルブの上流側と下流側の差圧ΔＰが所定値より大又は小の場合に、サーボライン（８ｂ）を低圧又は高圧の圧力ラインに選択的に連通するようになっており、前記バイパスバルブ（１０）は、計量バルブの上流側燃料を燃料ポンプの上流側にバイパスさせるバイパスライン（９ｂ）を開閉するメインスプール（１０ａ）と、該メインスプール（１０ａ）と中間バネ（１１ａ）で連結されたサブスプール（１０ｂ）と、該サブスプールをメインスプール側に付勢する圧縮バネ（１１ｂ）とからなり、前記メインスプール（１０ａ）とサブスプール（１０ｂ）の間に、前記サーボライン（８ｂ）が連結され、前記サブスプール（１０ｂ）の圧縮バネ側に計量バルブの下流側ラインが連結される、ことを特徴とする燃料流量制御装置が提供される。
【００１７】
上記本発明の構成によれば、メインスプール（１０ａ）とサブスプール（１０ｂ）が連結バネ（１１ａ）で直列に連結されたバイパスバルブ（１０）を備えるので、メインスプールで積分作動、サブスプールで比例作動を行い、両方で２つの基本作動モードを合成作動させることができる。
【００１８】
すなわち、積分作動時には、差圧センサバルブ６にセットバネ力（ｋ×Δδ）と計量バルブの差圧ΔＰ×受圧面積Ａの力が作用して、差圧センサバルブ６のスプール６ａを動かし、バイパスバルブ１０の中間位置にサーボライン８ｂから高圧又は低圧の燃料が供給され、供給された流量の積分値（容積）が、メインスプール（１０ａ）の変位となり、この変位に応じて計量弁前の燃料を低圧にバイパスして計量弁前燃料圧力を制御する。従って、上流側圧力Ｐ₁：大→差圧センサバルブ６：低圧供給→バイパスバルブ：開、Ｐ₁：小→差圧センサバルブ６：高圧供給→バイパスバルブ：閉の従来の積分作動を行うことができる。
【００１９】
また、比例作動には、バイパスバルブ１０にセットした圧縮バネ（１１ｂ）のバネ力（ｋ×Δδ）と計量バルブ２の差圧ΔＰ×受圧面積Ａの力が作動して、バイパスバルブ１０のスプール（１０ａと１０ｂ）を動かし、この変位に応じて計量バルブ２の上流側圧力Ｐ₁の燃料を低圧側（ポンプ上流側）にバイパスして燃料圧力を制御する。従って、上流側圧力Ｐ₁：大→バイパスバルブ：開、Ｐ₁：小→バイパスバルブ：閉の従来の比例作動を行うことができる。
【００２０】
実際の作動では、積分作動と比例作動が同時に行われる。従って、両方で２つの基本作動モードを合成作動させることができ、応答性の高い比例作動により、高い応答性を得ることができ、かつ流体力の影響を積分作動により除去して定常偏差を無くすことができる。従って、精度と応答性の両方を満足させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２２】
図１は、本発明による燃料流量制御装置の構成図である。この図において、本発明の燃料流量制御装置は、液体燃料を加圧する燃料ポンプ１と、加圧した燃料を計量して燃焼器（図示せず）に供給する計量バルブ２と、加圧した燃料を燃料ポンプ１の上流側にバイパスさせて戻すバイパスバルブ１０と、このバイパスバルブ１０を制御する差圧センサーバルブ６とを備え、燃料ポンプ１で加圧した液体燃料を、計量バルブ２で計量しノズル４から噴射するようになっている。
【００２３】
本発明において、差圧センサーバルブ６は、計量バルブ２の上流側圧力Ｐ₁と下流側圧力Ｐ₂に両端が連通し、内部にバネ６ｂで一方に付勢されたスプール６ａを有する。スプール６ａはその移動により、計量バルブ２の上流側と下流側の差圧ΔＰが所定値より大又は小の場合に、サーボライン８ｂを低圧又は高圧の圧力ライン８ａ，８ｃに選択的に連通するようになっている。
【００２４】
またこの発明において、バイパスバルブ１０は、メインスプール１０ａ、サブスプール１０ｂ、中間バネ１１ａ及び圧縮バネ１１ｂからなる。
メインスプール１０ａは、計量バルブ２の上流側燃料を燃料ポンプ１の上流側にバイパスさせるバイパスライン９ｂを開閉する機能を有する。また、メサブスプール１０ｂは、メインスプール１０ａと中間バネ１１ａで直列に連結されている。更に、圧縮バネ１１ｂは、サブスプール１０ｂ）をメインスプール側に付勢している。
【００２５】
また、メインスプール１０ａとサブスプール１０ｂの間には、差圧センサーバルブ６からのサーボライン８ｂが連結され、サブスプール１０ｂの圧縮バネ側には計量バルブ２の下流側ライン（低圧バイパスライン１２ａ）が連結されている。
【００２６】
上述した本発明の構成によれば、メインスプール１０ａとサブスプール１０ｂが連結バネ１１ａで直列に連結されたバイパスバルブ１０を備えるので、メインスプールで積分作動、サブスプールで比例作動を行い、両方で２つの基本作動モードを合成作動させることができる。
【００２７】
すなわち、積分作動時には、差圧センサバルブ６にセットバネ力（ｋ×Δδ）と計量バルブの差圧ΔＰ×受圧面積Ａの力が作用して、差圧センサバルブ６のスプール６ａを動かし、バイパスバルブ１０の中間位置にサーボライン８ｂから高圧又は低圧の燃料が供給され、供給された流量の積分値（容積）が、メインスプール１０ａの変位となり、この変位に応じて計量弁前の燃料を低圧にバイパスして計量弁前燃料圧力を制御する。従って、上流側圧力Ｐ₁：大→差圧センサバルブ６：低圧供給→バイパスバルブ：開、Ｐ₁：小→差圧センサバルブ６：高圧供給→バイパスバルブ：閉の従来の積分作動を行うことができる。
【００２８】
また、比例作動には、バイパスバルブ１０にセットした圧縮バネ１１ｂのバネ力（ｋ×Δδ）と計量バルブ２の差圧ΔＰ×受圧面積Ａの力が作動して、バイパスバルブ１０のスプール１０ａと１０ｂを動かし、この変位に応じて計量バルブ２の上流側圧力Ｐ₁の燃料を低圧側（ポンプ上流側）にバイパスして燃料圧力を制御する。従って、上流側圧力Ｐ₁：大→バイパスバルブ：開、Ｐ₁：小→バイパスバルブ：閉の従来の比例作動を行うことができる。
【００２９】
実際の作動では、積分作動と比例作動が同時に行われる。従って、両方で２つの基本作動モードを合成作動させることができ、応答性の高い比例作動により、高い応答性を得ることができ、かつ流体力の影響を積分作動により除去して定常偏差を無くすことができる。従って、精度と応答性の両方を満足させることができる。
【００３０】
なお本発明は以上に述べた実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変更が可能である。
【００３１】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、積分作動と比例作動を合成した比例積分動作を単一のバイパスバルブ１０を用いて行うことができ、精度と応答性の両方を満足させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料流量制御装置の構成図である。
【図２】従来の比例制御方式の燃料流量制御装置の構成図である。
【図３】従来の積分制御方式の燃料流量制御装置の構成図である。
【符号の説明】
１燃料ポンプ、２計量バルブ、３ドレインバルブ、
４ノズル、５バイパスバルブ、６差圧センサーバルブ、
７ａ，７ｂパイロットライン、８ａ，８ｃパイロットライン、
８ｂサーボライン、９ａ，９ｂバイパスライン、
１０バイパスバルブ、
１０ａメインスプール、１０ｂサブスプール、
１１ａ中間バネ、１１ｂ圧縮バネ、
１２ａ低圧バイパスライン

Claims

液体燃料を加圧する燃料ポンプ（１）と、加圧した燃料を計量して燃焼器に供給する計量バルブ（２）と、加圧した燃料を燃料ポンプの上流側にバイパスさせて戻すバイパスバルブ（１０）と、このバイパスバルブを制御する差圧センサーバルブ（６）とを備え、燃料ポンプで加圧した液体燃料を、計量バルブで計量しノズル（４）から噴射する燃料流量制御装置において、
前記差圧センサーバルブ（６）は、計量バルブの上流側と下流側の差圧ΔＰが所定値より大又は小の場合に、サーボライン（８ｂ）を低圧又は高圧の圧力ラインに選択的に連通するようになっており、
前記バイパスバルブ（１０）は、計量バルブの上流側燃料を燃料ポンプの上流側にバイパスさせるバイパスライン（９ｂ）を開閉するメインスプール（１０ａ）と、該メインスプール（１０ａ）と中間バネ（１１ａ）で連結されたサブスプール（１０ｂ）と、該サブスプールをメインスプール側に付勢する圧縮バネ（１１ｂ）とからなり、
前記メインスプール（１０ａ）とサブスプール（１０ｂ）の間に、前記サーボライン（８ｂ）が連結され、前記サブスプール（１０ｂ）の圧縮バネ側に計量バルブの下流側ラインが連結される、ことを特徴とする燃料流量制御装置。