(57)【要約】【課題】可変容量ポンプの吐出量を計量するため可変容量ポンプと流体連通する計量弁を備える、可変容量ポンプを制御する流量制御システム。【解決手段】調節弁は第１圧力を保つバイパス流量として可変容量ポンプの吐出の一部を受け入れる。この調節弁の出力は一時的圧力である。一時的圧力は第１圧力と低基準圧力の平均にほぼ等しい。アクチュエータは可変容量ポンプのカム・リングに接続されるピストンに動作を及ぼすことで可変容量ポンプの吐出を設定する。アクチュエータは一時的圧力を受け入れ、これによって可変容量ポンプの吐出量が決定される。【選択図】図１
2006138228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変容量ポンプを制御する高安定流量制御システムであって、
ポンプ吐出量を計量するため前記可変容量ポンプと流体連通する計量弁と、
前記計量弁前後の差圧を保持する調節弁装置と、
前記可変容量ポンプの吐出を設定するため前記可変容量ポンプに接続されるアクチュエータとを備え、
前記調節弁装置は第１圧力を保つバイパス流量として前記可変容量ポンプのポンプ吐出の一部を受け入れ、前記調節弁装置からの弁出力はその第１圧力と低基準圧力の平均に概ね等しい一時的圧力を保っており、
前記アクチュエータが前記アクチュエータの設定値を決定するため弁出力、よってポンプ吐出を受け入れる高安定流量制御システム。
【請求項２】
前記アクチュエータ内の第２圧力が前記一時的圧力に対向する圧力を及ぼす請求項１記載の燃料計量ユニット。
【請求項３】
前記第２圧力が定常状態で運転中、一時的圧力に概ね等しい請求項１記載の燃料計量ユニット。
【請求項４】
さらに、堆積物を取り除くため前記可変容量ポンプの吐出側と流体連通するフィルタを備える請求項１記載の燃料計量ユニット。
【請求項５】
さらに、前記調節弁装置の応答を緩やかにするため前記計量弁の計量出力側と前記調節弁との間に接続される第１ラインを備える請求項１記載の燃料計量ユニット。
【請求項６】
前記第１ラインが静的ラインである請求項５記載の燃料計量ユニット。
【請求項７】
さらに、前記第１ラインにオリフィスを備える請求項５記載の燃料計量ユニット。
【請求項８】
さらに、前記カム・アクチュエータに一時的圧力を与えるため前記調節弁装置と前記カム・アクチュエータとの間に接続される第２ラインを備える請求項５記載の燃料計量ユニット。
【請求項９】
前記アクチュエータが前記可変容量ポンプの可動カム・リングに接続されるピストンを備える請求項１記載の燃料計量ユニット。
【請求項１０】
可変容量ポンプが低基準圧力を保つ燃料を受け入れ、高圧の吐出を発生する可変容量ポンプを制御する燃料計量ユニットであって、
前記可変容量ポンプの吐出量を計量するため前記可変容量ポンプと流体連通する第１手段と、
第３手段前後の一定した差圧を保持するため前記第１手段と流体連通し、前記高圧と前記低基準圧力の平均に概ね等しい一時的圧力を発生する第２手段と、
前記可変容量ポンプの吐出量を制御するため前記可変容量ポンプに動作可能に接続される第３手段と、
対向する圧力を前記第３手段に与えるため前記可変容量ポンプの吐出側と前記第３手段との間に接続される燃料ラインとを備え、
前記第３手段の設定値が一時的圧力と対向する圧力との差圧に基づいている燃料計量ユニット。
【請求項１１】
前記燃料ラインが定常状態で運転する間、一時的圧力と対向する圧力とが等しくなるように低基準圧力に接続される請求項１０記載の燃料計量ユニット。
【請求項１２】
前記第１手段が計量弁である請求項１０記載の燃料計量ユニット。
【請求項１３】
前記第２手段が調節弁である請求項１０記載の燃料計量ユニット。
【請求項１４】
前記第３手段がカム・アクチュエータである請求項１０記載の燃料計量ユニット。
【請求項１５】
さらに、堆積物を取り除くため前記可変容量ポンプの吐出側と流体連通するフィルタを備える請求項１０記載の燃料計量ユニット。
【請求項１６】
さらに、前記第３手段の応答を緩やかにするため前記第１手段の計量出力側と前記第３手段との間に接続される第１手段を備える請求項１０記載の燃料計量ユニット。
【請求項１７】
前記第１手段が静的ラインである請求項１５記載の燃料計量ユニット。
【請求項１８】
さらに、前記第１手段にオリフィスを備える請求項１５記載の燃料計量ユニット。
【請求項１９】
さらに、前記第２手段の応答を緩やかにするため前記第３手段と前記第２手段との間に接続される第２ラインを備える請求項１０記載の燃料計量ユニット。
【請求項２０】
エンジンに燃料を供給する可変容量ポンプを計量する方法であって、低基準圧力を保つ燃料を前記可変容量ポンプ内に受け入れる過程と、
前記可変容量ポンプの吐出が高圧になるように前記可変容量ポンプで前記燃料を昇圧する過程と、
計量弁で前記可変容量ポンプの吐出量を計量する過程と、
前記エンジンが追加燃料を必要とするとき、素早く応答するため前記可変容量ポンプの吐出から流出戻り流量を生成する過程と、
調節弁を用いて計量弁前後の差圧を調節する過程と、
前記吐出量を調節するため前記可変容量ポンプのカム・リングに接続されるカム・アクチュエータを用いて前記可変容量ポンプの吐出量を調節する過程とを含み、
前記調節弁は前記調節弁が前記流出戻り流量と前記低基準圧力の平均にほぼ等しい一時的圧力を発生するために前記流出戻り流量と流体連通しており、
前記カム・アクチュエータが前記カム・アクチュエータの設定値を決定するため一時的圧力を受け入れている方法。
【請求項２１】
さらに、前記一時的圧力に対向する第２圧力を前記カム・アクチュエータに与える過程を含む請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
さらに、前記計量弁の計量出力を前記調節弁に導くことにより前記調節弁の応答を緩やかにする過程を含む請求項２０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、一般に、流体流量を調節するシステムに係り、特に、バイパス流量を利用することにより可変容量ポンプからガスタービンへの液体燃料流量を調節するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
定量分配燃料ポンプは、関係するエンジンへの適切な量の燃料供給を果たすべく過剰な燃料流量容量を持たせることから容量がしばしば過大になる。その結果、多くの運転条件のもとで多量の昇圧燃料が再循環のためポンプ入口に戻される。燃料の戻りと再循環では、再循環路で圧力が降下するに従って燃料に加えられる後に熱に変わる余分なエネルギによって燃料温度が著しく上昇する。新しい設計では、燃料が正規運転温度を維持する熱交換媒体として使用されるので燃料の加熱は重要な問題である。熱交換のための他の方法はサイズ、重量および費用のために望ましくない。このような問題は燃料ポンプがエンジンに燃料を供給する必要があるため新しいエンジンでは増長される。たとえば、新しい中型から大型のエンジンは案内翼として直動ピストンを利用している。直動ピストンは回転する燃料の駆動源を必要とする。この回転はエンジンへの燃料供給を極度に不足させる過渡的現象である。
可変容量燃料ポンプは燃料吐出量を変えることで定量分配燃料ポンプが持つ欠点を一部だけ克服することができる。燃料吐出量を変えることにより分配される燃料はエンジンの要求量にさらに近づく。従って、この再循環流量は再循環で発生する熱と併せて減少する。可変容量ポンプは開示の全てがここに参照によって取り入れられる、サンベルグ（Sunberg）に付与された米国特許第５，８３３，４３８号明細書に開示されるように、この技術分野では知られている。可変容量ポンプは典型的には固定軸と回動するカム・リングとを有するロータを備える。ロータに対するカム・リングの位置制御によりポンプ吐出量を制御する。吐出量はトルク・モータで駆動されるサーボ弁により制御される。しかし、エンジン運転条件は当業者により知られるようにエンジン・アクチュエータ回転始動およびそれに類する過程で起こる過渡的現象をしばしば伴う。このような急激な変化を伴う運転条件のもとでは従来のポンプ制御システムは素早く、かつ適切に応答することができない。さらに、多くの従来のポンプ制御システムは信頼のおけるやり方でエンジンに燃料を供給するのに必要とされる安定性を欠いている。すでに述べたように、技術状態の進歩にも拘わらず、可変容量ポンプは安定性に欠け、エンジンの要求する燃料を変えるのに十分に、かつ素早く応答することができない。結果として、性能は十分でなく、燃料流量は過剰であるのが常態となっている。
可変容量ポンプ制御装置の例は、ここに開示の全てが参照によって取り入れられる、ペック他（Peck他）に付与された米国特許第５，７１６，２０１号明細書およびルーター他（Reuter他）に付与された米国特許第５，７１５，６７４号明細書に開示されている。これらポンプ制御システムは、エンジン運転条件の全範囲を通じて燃料流量を正確に保持することを意図する。しかし、上記のように、このようなシステムはなお複雑さであるような不適切な部分を備える。さらにまた、このようなシステムは再循環される過剰な燃料を分配することで供給帯域の妥当な範囲でしか燃料供給を達成できない。また、ポンプ制御システムには費用および複雑さを必要以上に増す複雑な電子回路や多くの追加装備品を備えることは望ましくない。
上述した点を考慮して、安定性に富み、かつ従来技術にみられる関係する欠点のない可変容量ポンプの吐出量を素早く調節する、簡素な設計を有する流量制御システムを提供することが望ましい。
【発明の開示】
【０００３】
（発明の要旨）
一実施例において、本発明はポンプ吐出量を計量するため可変容量ポンプと流体連通する計量弁を備える、可変容量ポンプを制御する流量制御システムに関する。計量弁前後の差圧を保持する調節弁は第１圧力を保つバイパス流量として可変容量ポンプの吐出の一部を受け入れる。ここで、調節弁の出力は一時的圧力であり、この一時的圧力は第１圧力の平均に概ね等しい、低基準圧力である。アクチェエータは可変容量ポンプのカム・リングに接続されるピストンに動作を及ぼすことで可変容量ポンプの吐出を設定する。このアクチュエータの設定値は一時的圧力と第１圧力を保つ可変容量ポンプの吐出の第２部分との差圧で決定される。
本発明の目的は全ての運転条件で受け入れ可能な安定性を保持しながら、燃料計量ユニットの応答性を増すことにある。
本発明の他の目的は可変容量ポンプのための油圧機械式燃料計量ユニットを提供することにある。さらに、他の目的は動的流量条件に素早く、かつ正確に応答する燃料計量ユニットを提供することにある。
他の実施例において、本発明はエンジンに燃料を供給する可変容量ポンプを計量する方法に関する。この方法は低基準圧力を保つ燃料を可変容量ポンプ内に受け入れる過程と、可変容量ポンプの吐出が高圧になるように可変容量ポンプで燃料を昇圧する過程と、計量弁で可変容量ポンプの吐出量を計量する過程と、エンジンが追加燃料を必要とするとき、素早く応答するため可変容量ポンプの吐出から流出戻り流量を生成する過程と、調整弁を用いて計量弁を前後の差圧を調節する過程とを含む。調節弁は流出戻り流量と低基準圧力の平均にほぼ等しい一時的圧力を発生するために流出戻り流量と流体連通している。この方法はまた吐出量を調節する可変容量ポンプのカム・リングに接続されるカム・アクチュエータを用いて可変容量ポンプの吐出量を調節する過程を含む。ここで、カム・アクチュエータはカム・アクチュエータの設定値を決定するために一時的圧力を受け入れる。
【０００４】
（発明の詳細な説明）
図１を参照すると、一般に符号１０で示される本発明による流量制御システムの図式的表示が示されている。以下の説明を明確にするため、流量制御システム１０系内に示される矢印は燃料が流れる方向を示し、注釈文字“Ｐ”はある位置で保たれる圧力を示すために表記される。ここで左右、上下等全ての関連説明は図１に示されるように流量制御システム１０を参照しており、限定する意味ではない。加えて、明確にするためフィルタおよび遮断ソレノイドのような通常の手段は図１に含まれない。流量制御システム１０は過度の複雑さを回避しながら、安定した方法でエンジンの燃料要求に素早く応答するため、可動翼可変容量ポンプ１２の吐出量を保持する。
可変容量ポンプ１２はロータ１４と回動するカム・リング１６とを含む。可動翼可変容量ポンプの詳細な説明は、ここにその全体が参照によって取り入れられる、２００３年６月５日に公開された米国特許出願公開第２００２／０１０３８４９号明細書を参照する。可変容量ポンプ１２は入口圧力ＰＡＦを保つ燃料流量を受け入れ、吐出圧力ＰＦの燃料流量を吐出する。ピストン１８はロータ１４に対するカム・リング１６の位置を制御するカム・リング１６に動作可能に接続されており、これによって可変容量ポンプ１２の吐出量を変化させる。カム・アクチュエータ装置２０は以下に述べるようにピストン１８を位置決めする。これと同様に機能する、類似および変形した配置、従って単なる設計上の選択事項とみなされる他の形式のアクチュエータが請求された本発明の範囲内に含まれることは当業者には明らかである。可変容量ポンプ１２の最大流量設定値はピストン１８が左方向に最大距離を移動したときに生じる。
可変容量ポンプ１２の吐出と流体連通するフィードバック・ライン２１はカム・アクチュエータ２０の入口２２に接続されるライン２９に圧力Ｐ１Ｗを保って燃料を供給する。オリフィス２４とオリフィス２６はライン２９へ流れる流量を制限する。ライン２９の圧力はＰ１Ｗ＋ＰＡＦを２で割った値と大体等しく、図１にＰ１１として示される。Ｐ１Ｗを保つ圧力が圧力ＰＦとほぼ等しくなることは当業者には明らかである。フィードバック・ライン２１はまた必要とされるとき、エンジン、主計量弁およびブリード・バンド・サーボ弁（図示せず）のような図示しない他の場所に圧力Ｐ１Ｗを保つ燃料を供給する。このライン２９はまた低基準圧力ＰＡＦに接続する。カム・アクチュエータ２０の他の入口２８は以下で説明するように一時的圧力Ｐ１２を保つ燃料を受け入れる。
カム・アクチュエータ２０のハウジング２３はハウジング２３の内部を２つの部分に分けるピストン１８を保持する。コイルばね３０はピストン１８を付勢する。ハウジング２３内においてピストン１８の右側の圧力はＰ１ＷとＰＡＦとを平均した圧力に大体等しい。コイルばね３０の寸法の決め方とハウジング２３の左右両室間の差圧との兼ね合いがカム・アクチュエータ２０内のピストン１８を位置決めするように働く。カム・リング１６はピストン動作に応じて移動し、可変容量ポンプ１２の吐出量が変化する。好ましくは、コイルばね３０は可変容量ポンプ１２の始動のため最大流量でピストン１８を位置決めするように寸法を決め、構成される。流量制御システム１０全体を通じて、コイルばねは当業者に明らかなようにピストン面積と燃料圧力との積の関数として寸法が決められ、従って、ここでは詳しい説明はされない。
可変容量ポンプ１２の吐出は主計量弁３４とライン２１に流入する前に堆積物を取り除くウオッシュ・フィルタ３２通過する。主計量弁３４はある選ばれた速度と圧力ＰＭを保って燃料をエンジンに供給するため可変容量ポンプ１３とエンジン（図示せず）との間に配置される。主計量弁３４は圧力ＰＦが予め選ばれる、ほぼ一定した値ＰＭより確実に大きくする。これに適する主計量弁３４はこの技術分野ではよく知られている。従って、ここでは詳しい説明はなされない。好ましい主計量弁３４は通過する燃料量を選択的に変える機能を果たす。計量弁３４は圧力ＰＦを保つ燃料を受け入れ、燃料は圧力ＰＭでそこを流出する。
ライン３５は可変容量ポンプ１２の吐出をバイパス圧力調節弁装置３６に接続する。ライン３５の流量は圧力ＰＰを保つ流出戻り流量と称する。調節弁装置３６はそこに動作可能に配置される、ばねで付勢されたスプール４０を組み込む内部を形成しているハウジング３８を備える。スプール４０の左側の面はそこに圧力ＰＦを及ぼす燃料を有する。計量ヘッド調節ねじ４２は流量設定中、調節弁装置３６内のスプール４０の位置を校正するためスプール４０に取り付けられる。ハウジング３８は圧力ＰＦの燃料を受け入れるためライン３５に接続される入口４４を形成する。ハウジング３８の他の入口４６はスプール４０の動作を緩やかにするため静的ライン３７から圧力ＰＭを保つ燃料を受け入れる。オリフィス４８が動作を緩やかにするためライン３７に配置される。ハウジング４０はまた調節弁装置３６から流出する燃料を制限する出口５０を形成する。この出口５０はライン５１を通して可変容量ポンプ１２のライン２８と流体連通している。ライン５１はまたオリフィス５２が流量を低基準圧力ＰＡＦに制限している、低基準圧力ＰＡＦに接続する。ライン５１内の圧力は以下の説明で一時的圧力Ｐ１２を指す、ＰＦとＰＡＦの平均に大体等しい。ハウジング４０の左側に作用するＰＦと、スプール４０のばねによるバイアス量を加えた右側に作用するＰＭとの差圧の兼ね合いが最終的にスプール４０を位置決めする。
定常状態で運転中、調節弁装置３６の左側とカム・アクチュエータ２０の右側は大体同じ圧力を保っている。調節弁装置３６を通過する再循環流量は出口５０の一部を閉塞するスプール４０で圧力が低く保たれ、流量制御システム１０は過渡的現象にも素早くかつ十分に応答することができる。好ましい実施例において、正常な運転中、調節弁装置３６内のスプール４０はほぼ標準位置に保持される。最も新しいエンジンでは、エンジンの運転に伴って生じる燃料要求の変化はエンジンの回転と関係する変動と比べて比較的小さい。
過渡的現象が発生したとき、可変容量ポンプ１２は素早く多量の燃料を送り出さなければならない。たとえば、過渡的現象はライン２１内の圧力Ｐ１Ｗの回転駆動源を用いたアクチュエータ動作である。過渡的現象に伴う燃料の増加要求は即座にエンジンへの燃料流量を増加するように主計量弁３４を開き、可変容量ポンプ１２の吐出量を増加させる一連の動作が始まる。可変容量ポンプ１２は吐出量の増加に即座に応答できないので、増加要求はライン３５の流出戻り流量から流入する。結果として、圧力ＰＭは上昇し、圧力ＰＦは低下（すなわち、主計量弁３４前後の差圧（ＰＦ−ＰＭ）の降下）する。調節弁装置３６は差圧を感知し、スプール４０が左方向に移動する。出口５０の圧力は下がり、一方、カム・アクチュエータ２０の左側に作用する圧力は降下する。カム・アクチュエータ２０の左側に作用する圧力の減少によりピストン１８が左方向に移動する。ピストン１８が左に移動したとき、可変容量ポンプ１２の吐出量は増加する。この増加したポンプ吐出量は主計量弁３４前後の差圧が標準定常状態に戻り、定常条件が再度達成されるまで、圧力ＰＦを上昇させる。
これに代わる実施例では、可変容量ポンプ１２が過剰な燃料の再循環を防止する、吐出量を素早く減少しなければならないとき、エンジンへの燃料流量を減少するように主計量弁２０を閉じ、可変容量ポンプ１２の吐出量を減少させる一連の動作が始まる。可変容量ポンプ１２は吐出量の減少に即座に応答できないので、流量制御システム１０が即座に応答する。すなわち、減少要求は圧力ＰＭの低下と圧力ＰＰの上昇（すなわち、主計量弁３４前後の差圧（ＰＦ−ＰＭ）の上昇）をもたらす。調節弁装置３６は差圧の上昇を感知し、スプール４０は右方向に移動する。結果として、出口５０の圧力は上昇し、一方、カム・アクチュエータ２０の左側に作用する圧力は上昇する。カム・アクチュエータ２０の左側に作用する圧力の上昇によりピストン１８が右方向に移動する。ピストン１８が右に移動したとき、可変容量ポンプ１２の吐出量は主計量弁１４前後の差圧（ＰＦ−ＰＭ）がスプール４０のほぼ標準位置である、標準定常状態に戻るまで減少する。
手短にいえば、調節弁装置３６は流量制御システム１０を過渡的要求に応じて素早く応答させながら、再循環流量を最小にするために使用される。再循環流量は調節され、スプール４０の位置は定常状態で運転中ほぼ標準位置にある。低基準圧力とポンプ吐出圧力の平均にほぼ等しい圧力が調節弁とカム・アクチュエータによる設定のために用いられる。
本発明を好ましい実施例について説明したが、当業者が多様な変更および／または変形について添付の請求の範囲に定義されるような発明の精神または範囲から離れることなくなし得ることは容易に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本発明に関連する当業者が本発明の実施とその使用方法について容易に理解できるように、図１を参照する。
【図１】本発明により構成された流量制御システムの図式的表示である。
【図１】
2006138228.tif 000003
【外国語明細書】
FLOW CONTROL SYSTEM FOR A GAS TURBINE ENGINE
BACKGROUND OF THE INVENTION
1.    Field of the Invention
[0001] The subject invention is directed generally to a system for regulating fluid flow, and more particularly, to a system for regulating the flow of liquid fuel from a variable displacement pump to a gas turbine by utilizing bypass flow.
2.   Background of the Related Art
[0002] Fixed delivery fuel pumps have often been over-sized to provide excessive fuel flow capacity in order to insure adequate supply to the associated engine.  Consequently, under many operating conditions, large amounts of pressurized fuel are returned to the pump inlet for recirculation.  The return and recirculation results in significant fuel heating due to additional energy being put into the fuel which is subsequently turned into heat as the pressure drops in the recirculation path.  In modern designs, fuel heating is a critical issue because the fuel is typically used as a heat exchanger to maintain proper operating temperature.  Other methods of heat exchange are undesirable because of the associated size, weight and cost.  Such concerns are magnified in modern engines because the fuel pumps also need to supply fuel to engine geometries.  For example, modern mid to large class engines utilize linear pistons as guide vanes.  The linear pistons require a significant source of fuel to slew.  This slewing is a transient event that can unacceptably starve the supply of fuel to the engine. 
[0003] Variable displacement fuel pumps have partially overcome the drawbacks of fixed delivery pumps by being able to vary the amount of fuel output.  By varying the fuel output, the fuel delivered more closely matches engine demand.  Thus, the recirculated flow, along with the heat generated thereby, is reduced.  Variable displacement fuel pumps are known in the art as disclosed in U.S. Patent No. 5,833,438 to Sunberg, the disclosure of which is herein incorporated by reference in its entirety.  A variable displacement pump typically includes a rotor having a fixed axis and pivoting cam ring.  Controlling the position of the cam ring with respect to the rotor controls the output of the pump.  The output flow may be controlled by a torque motor operated servo valve.  However, the engine operating conditions often include transients such as those caused by engine actuator slewing, start-up and the like as would be appreciated by those of ordinary skill in the pertinent art.  Under such rapidly varying operating conditions, prior art pump control systems have been unable to respond quickly and adequately.  Moreover, many prior art pump control systems lack the required stability to reliably provide fuel to the engine.  So despite the advances of the state of the art, variable displacement pumps are lacking in stability and still do not respond quickly enough to varying engine demands.  As a result, poor performance and excess fuel flow are still common. 
[0004] Examples of variable displacement pump control arrangements are disclosed in U.S. Patent Nos. 5,716,201 to Peck et al. and 5,715,674 to Reuter et al., the disclosures of which are herein incorporated by reference in their entirety.  These pump control systems attempt to maintain accurate fuel flow throughout the range of engine operating conditions.     However, as noted above, such systems still contain inadequacies such as complexity.  Moreover, such systems can only achieve adequate bandwidth by delivering excessive fuel which must be recirculated.  It is also undesirable for pump control systems to include sophisticated electronics and numerous additional components that undesirably increase costs and complexity.
[0005] In view of the above, it would be desirable to provide a flow control system which has a simple design for quickly regulating the output flow of a variable displacement pump with stability and without the associated drawbacks of the prior art. 
SUMMARY OF THE INVENTION
[0006] In one embodiment, the subject invention is directed to a flow control system for controlling a variable displacement pump including a metering valve in fluid communication with the pump for metering an output of the pump.  A regulating valve for maintaining a pressure differential across the metering valve receives a portion of the output of the pump as a bypass flow at a first pressure, wherein an output of the regulating valve is at an interim pressure, wherein the interim pressure is equal to an approximate average of the first pressure and a low reference pressure.  An actuator sets a displacement of the pump by acting on a piston connected to a cam ring of the pump.  The setting of the actuator is determined by a differential between the interim pressure and a second portion of the output of the pump at the first pressure.
[0007] It is an object of the present disclosure to increase the fuel metering unit response while maintaining acceptable stability at all operating conditions.
[0008] It is another object to provide a hydromechanical fuel metering unit for a variable displacement pump.  It is still another object to provide a fuel metering unit that achieves quick and accurate response to dynamic flow conditions.
[0009] In another embodiment, the subject invention is directed to a method for metering a variable displacement pump that provides fuel to an engine, the method includes the steps of receiving fuel at a low reference pressure into the variable displacement pump, pumping the fuel through the pump such that an output of the pump is at an elevated pressure, metering the output of the variable displacement pump with a metering valve, creating a spill return flow from the output of the variable displacement pump to allow for quick response when additional fuel is required by the engine, regulating a pressure differential across the metering valve with a regulating valve.  The regulating valve is in fluid communication with the spill return flow to generate an interim pressure substantially equal to an average of the spill return and the low reference pressure.  The method also includes the step of adjusting a displacement of the pump with a cam actuator connected to a cam ring of the variable displacement pump for adjusting the output, wherein the cam actuator receives the interim pressure to determine a setting of the cam actuator.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0010] So that those having ordinary skill in the art to which the subject invention appertains will more readily understand how to make and use the same, reference may be had to the Sole Figure wherein: 
[0011] The Sole Figure is a schematic representation of a flow control system constructed in accordance with the subject invention.
DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBDOMENTS
[0012] Referring now to the Sole Figure, there is illustrated a schematic representation of a flow control system in accordance with the subject invention which is designated generally by reference numeral 10.  For clarity throughout the following description, arrows are shown within the lines of system 10 to indicate the direction in which the fuel flows and an annotated letter "P" is shown to indicate a pressure at certain locations.  All relative descriptions herein such as left, right, up, and down are with reference to the system 10 as shown in the Sole Figure and not meant in a limiting sense.  Additionally, for clarity common items such as filters and shut off solenoids have not been included in the Sole Figure.  The system 10 maintains the output flow of a variable vane displacement pump 12 to provide fast response to engine needs in a stable manner yet excessive complexity is avoided.
[0013] The pump 12 includes a rotor 14 and a pivoting cam ring 16.  For a detailed description of a variable displacement vane pump, see U.S. Patent Application Publication No. 2002/0103849 published on June 5, 2003 which is incorporated herein by reference in its entirety.  The pump 12 receives fuel flow at an inlet pressure PAF, and delivers fuel flow at an output pressure PF.  A piston 18 is operatively connected to the cam ring 16 to control the position of the cam ring 16 relative to the rotor 14 and, thereby, vary the output flow of the pump 12.  A cam actuator assembly 20 positions the piston 18 as described below.  It should be appreciated by those of ordinary skill in the art that other types of actuators similarly and differently arranged would perform this same function and are, therefore, considered mere design choices well within the scope of the subject invention as claimed.  The maximum flow setting of the pump 12 occurs when the piston 18 is moved the maximum distance to the left. 
[0014] A feedback line 21 in fluid communication with the output of the pump 12 provides fuel at pressure P1W to a line 29 connected to an inlet 22 of the cam actuator 20.  Orifices 24 and 26 limit the flow into line 29.  The pressure in line 29 is approximately equal to P1W + PAF divided by two, and designated as PI1 in the Sole Figure.  It will be appreciated by those of ordinary skill in the art that the pressure at P1W will be substantially equal to the pressure PF.  The feedback line 21 also provides fuel at pressure P1W to other locations not shown such as the engine geometry, main metering valve and bleed band servos (not shown) as required.  Line 29 also connects to low reference pressure PAF.  Another inlet 28 of the cam actuator 20 receives fuel at an interim pressure PI2 as will be described hereinbelow.
[0015] A housing 23 of the cam actuator 20 retains the piston 18 for dividing the interior of the housing 23.  A coiled spring 30 biases the piston 18.  Within the housing 23, the pressure on the right side of the piston 18 is approximately equal to the average of P1W and PAF.  The combination of the pressure differential between the right and left sides of the housing 23 together with the sizing of a spring 30 act to position the piston 18 within the cam actuator 20.  The cam ring 16 moves correspondingly and the output of the pump 12 varies.  Preferably, the spring 30 is sized and configured to position the piston 18 at maximum flow for start-up of the pump 12.  Throughout system 10, springs are sized as a function of the product of piston area and fuel pressure as would be appreciated by those of ordinary skill in the art and therefore not further described herein.
[0016] The output of the pump 12 passes through a wash filter 32 for cleaning debris prior to entering a main metering valve 34 and line 21.  The main metering valve 34 is disposed between the pump 12 and engine (not shown) for providing fuel to the engine at a selected rate and pressure PM.  The main metering valve 34 insures that PF is greater than PM by some pre-selected, substantially constant value.  Suitable main metering valves 34 are well known in the prior art and therefore not further described herein.  The preferred metering valve 34 performs the function of selectively varying the amount of fuel passing therethrough.  The main metering valve 34 receives fuel at pressure PF and the fuel exits at pressure PM. 
[0017] A line 35 connects the output of the pump 12 to a bypassing pressure regulator valve assembly 36.  The flow in line 35 is referred to as the spill return flow at Pressure PF.  The regulator valve assembly 36 includes a housing 38 defining an interior with a spring-biased spool 40 operatively disposed therein.  A left face of the spool 40 has fuel at pressure PF there against.  A metering head adjustment screw 42 is attached to the spool 40 for calibrating the position of the spool 40 within the regulator valve assembly 36 during set up.  The housing 38 defines an inlet 44 connected to line 35 for receiving fuel at pressure PF.  Another inlet 46 of the housing 38 receives fuel at pressure PM from static flow line 37 to dampen the motion of the spool 40.  An orifice 48 is disposed in the line 37 for dampening.  The housing 38 also defines a restricting outlet 50 for the fuel to exit from the regulator valve assembly 36.  The outlet 50 is in fluid communication with the inlet 28 of the pump 12 via line 51.  Line 51 also connects the low reference pressure PAF, wherein an orifice 52 limits the flow to the low reference pressure PAF.  The pressure within line 51 is approximately equal to the average of PF and PAF, hereinafter designated the interim pressure PI2.  The combination of the pressure differential between PF on the left side of the housing 40 and PM on the right plus the spring-biasing of the spool 40 ultimately positions the spool 40.
[0018] During steady-state operation, the left side of regulator valve assembly 36 and the right side of the cam actuator 20 are at approximately the same pressure.  The recirculation flow through the regulator valve assembly 36 is maintained at a low level by the spool 40 partially blocking the outlet 50 yet the system 10 can rapidly and sufficiently respond to transient events.  In the preferred embodiment, the spool 40 within the regulator valve assembly 36 is maintained substantially at a nominal position during normal operation.  In most modern engines, the variation in fuel demand as a result of running the engine is relatively minor compared to that associated with the slewing of engine geometries.
[0019] When a transient event occurs, the pump 12 must produce more fuel rapidly.  For example, a transient event would be an actuator motion by utilization of the slewing source at pressure P1W in line 21.  Increased demand by the transient event causes the main metering valve 34 to respond by opening to immediately increase flow to the engine and starts a chain of events which leads to an increase in the output of the pump 12.  The pump 12 cannot immediately respond with increased displacement so the incremental demand comes from diminished spill return flow in line 35.  As a result, the pressure PM increases and the Pressure PF decreases (i.e., a drop of the pressure differential (PF-PM) across the main metering valve 34).  The regulator valve assembly 36 senses the pressure differential drop and the spool 40 strokes to the left.  The pressure in the outlet 50 is decreased and, in turn, the pressure into the left side of the cam actuator 20 drops.  The decrease in pressure of the left side of the cam actuator 20 causes the piston 18 to stroke to the left.  When the piston 18 strokes to the left, the output of the pump 12 increases.  The increased pump output raises the pressure PF until the pressure differential across the main metering valve 34 returns to the nominal steady-state level and the steady-state condition is reattained.
[0020] In the alternative, when a transient event occurs where the pump 12 must rapidly decrease the output to prevent excessive recirculation, the main metering valve 20 responds by closing to decrease flow to the engine and starts a chain of events which leads to a decrease in the output of the pump 12.  The pump 12 cannot immediately respond with decreased displacement so the decreased demand results in a decrease of pressure PM and an increase in Pressure PF (i.e., a rise of the pressure differential (PF-PM) across the main metering valve 34) to allow the system 10 to immediately respond.  The regulator valve assembly 36 senses the pressure differential rise and the spool 40 strokes to the right.  As a result, the pressure in the outlet 50 is increased and, in turn, the pressure into the left side of the cam actuator 20 rises.  The rise in pressure of the left side of the cam actuator 20 causes the piston 18 to stroke to the right.  When the piston 18 strokes to the right, the output of the pump 12 decreases until the pressure differential (PF-PM) across the main metering valve 34 returns to the nominal steady-state level with the spool 40 substantially at a nominal position with the regulator valve assembly 36. 
[0021] In summary, the regulator valve assembly 36 is used to minimize the recirculation flow, while allowing the system 10 to respond quickly to transient demands.  The recirculation flow is regulated and the position of the spool 40 is at a substantially nominal position during steady-state operation.  Pressures substantially equal to the average of the low reference pressure and output pressure of the pump are utilized to set the regulator valve and cam actuator.
[0022] While the subject invention has been described with respect to preferred embodiments, those skilled in the art will readily appreciate that various changes and/or modifications can be made to the invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined by the appended claims.
WHAT IS CLAIMED IS:
1.    A high-stability flow control system for controlling a variable displacement pump, the flow control system comprising:
a metering valve in fluid communication with the pump for metering a pump output;
a regulating valve assembly for maintaining a pressure differential across the metering valve, the regulating valve assembly receiving a portion of the pump output of the pump as a bypass flow at a first pressure, wherein a valve output from the regulating valve assembly is at an interim pressure approximately equal to an average of the first pressure and a low reference pressure; and
an actuator connected to the variable displacement pump for setting a displacement of the variable displacement pump, the actuator receiving the valve output for determining a setting of the actuator and, thereby, the pump output.
2.      A fuel metering unit as recited in Claim 1, wherein a second pressure within the actuator opposes the interim pressure.
3.      A fuel metering unit as recited in Claim 1, wherein the second pressure is approximately equal to the interim pressure during steady-state operation.
4.      A fuel metering unit as recited in Claim 1, further comprising a filter in fluid communication with the output of the pump for cleaning debris.
5.      A fuel metering unit as recited in Claim 1, further comprising a first line connected between the metered output of the metering valve and regulator valve assembly for dampening a response of the regulating valve assembly.
6.      A fuel metering unit as recited in Claim 5, wherein the first line is a static flow line.
7.      A fuel metering unit as recited in Claim 5, further comprising an orifice in the first line.
8.      A fuel metering unit as recited in Claim 1, further comprising a second line connected between the regulating valve assembly and cam actuator for providing the interim pressure to the cam actuator. 
9.      A fuel metering unit as recited in Claim 1, wherein the actuator includes a piston connected to a movable cam ring of the pump.
10.     A fuel metering unit for controlling a variable displacement pump wherein the variable displacement pump receives fuel at a low reference pressure and produces an output at an elevated pressure, the fuel metering unit comprising:
first means in fluid communication with the pump for metering the output of the pump;
second means in fluid communication with the first means for maintaining a substantially constant pressure differential across the third means, and producing an interim pressure approximately equal to an average of the elevated pressure and the low reference pressure;
third means operatively connected to the variable displacement pump for controlling the output of the pump, a setting of the third means being based upon a difference between the interim pressure and an opposing pressure; and
fuel lines connected between the output of the variable displacement pump and the third means for providing the opposing pressure to the third means.
11.   A fuel metering unit as recited in Claim 10, wherein the fuel lines are also connected to the low reference pressure such that the interim pressure and the opposing pressure are substantially equal during steady-state operations.
12.   A fuel metering unit as recited in Claim 10, wherein the first means is a metering valve.
13.   A fuel metering unit as recited in Claim 10, wherein the second means is a regulating valve.
14.   A fuel metering unit as recited in Claim 10, wherein the third means is a cam actuator.
15.     A fuel metering unit as recited in Claim 10, further comprising a filter in fluid communication with the output of the pump for cleaning debris.
16.     A fuel metering unit as recited in Claim 10, further comprising a first line connected between the metered output of the first means and third means for dampening a response of the third means.
17.     A fuel metering unit as recited in Claim 15, wherein the first line is a static flow line.
18.     A fuel metering unit as recited in Claim 15, further comprising an orifice in the first line.
19.     A fuel metering unit as recited in Claim 10, further comprising a second line connected between the third means and the second means for dampening a response of the second means.
20.    A method for metering a variable displacement pump that provides fuel to an engine, the method comprising the steps of:
receiving fuel at a low reference pressure into the variable displacement pump;
pumping the fuel through the pump such that an output of the pump is at an elevated pressure;
metering the output of the variable displacement pump with a metering valve;
creating a spill return flow from the output of the variable displacement pump to allow for quick response when additional fuel is required by the engine;
regulating a pressure differential across the metering valve with a regulating valve, the regulating valve being in fluid communication with the spill return flow, wherein the regulating valve generates an interim pressure substantially equal to an average of the spill return and the low reference pressure; and
adjusting a displacement of the pump with a cam actuator connected to a cam ring of the variable displacement pump for adjusting the output, wherein the cam actuator receives the interim pressure to determine a setting of the cam actuator.
21.   A method as recited in Claim 20, further comprising the step of providing a second pressure to the cam actuator in opposition to the interim pressure.
22.   A method as recited in Claim 20, further comprising the step of damping a response of the regulating valve by inputting a metered output of the metering valve to the regulating valve.
1.    ABSTRACT
A flow control system for controlling a variable displacement pump including a metering valve in fluid communication with the pump for metering an output of the pump.  A regulating valve receives a portion of the output of the pump as a bypass flow at a first pressure, wherein an output of the regulating valve is at an interim pressure.  The interim pressure is substantially equal to an average of the first pressure and a low reference pressure.  An actuator sets a displacement of the pump by acting on a piston connected to a cam ring of the pump.  The actuator receives the interim pressure and, thereby, the output of the variable displacement pump is determined.
2.REPRESENTATIVE DRAWING
FIG. 1
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