JPH05503335A - 改良型流体作動機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 改良型流体作動機械 本発明は、周期的に体積が変化する複数の作業チャンバ及び低圧及び高圧マニホ ールドに対する各チャンバの逐次的連結を制御するためのバルブ手段を存する、 流体により駆動される（原動機）及び／又は流体を駆動する（ポンプ）機械に関 する。

本発明は特に非圧縮性流体に関するが、気体での使用も除外されるわけではない 。又本発明は特に、各チャンバがシリンダ内を往復運動するピストンであるよう な機械に関するが、柔軟な膜又は回転式ピストンによって限定されたチャンバで の使用も除外されるわけではない。

本発明は、バルブ手段の作動を制御する目的で電磁式手段を利用する。電磁式手 段を用いることにより、完全に電子的な制御に対する可能性が開かれ、それに伴 ってあらゆる精巧さ及び精度が可能となる。

本発明によれば、周期的に体積が変化する複数のチャンバと、高圧流体マニホー ルド及び低圧流体マニホールドと、各々の作業チャンバをそれぞれ各々のマニホ ールドに結合するものを少なくとも１つ含む複数の！磁制御弁と、チャンバの体 積変化にタイミングを合わせた関係でバルブを作動させ゛るための順序づけ手段 を有する流体作動機械は、各々のバルブが環状バルブ部品と環状弁座との保合に よりそれぞれのマニホールドからそれぞれのチャンバを密封していること、及び バルブ上の強磁性体と作用し合うことによりバルブ部品を弁座との関係において 磁気的に移動させるようソレノイドが具備されていることを特徴とする。

適当なことに、少なくとも１つのバルブは弁棒及び拡大された弁頭を有するポペ ットバルブであり、環状バルブ部品は弁頭上に具備され、強磁性体は弁棒上に具 備されている。好ましくは、ソレノイドコイルは弁棒をとり囲み、弁棒上の強磁 性体の環状部品と作用し合う。便利にも前記少なくとも１つのバルブの弁棒上の 強磁性体はマニホールドの関係において固定された永久磁石の磁界内で移動し、 この永久磁石は、バルブ部品が弁座から間隔とりされた状態にある位置又はバル ブ部品が弁座に密着している位置でバルブをラッチングするべく強磁性体と作用 する。望ましくは、ソレノイドコイル、永久磁石及び強磁性体は全て環状であり 、強磁性体は、コイル及び磁石と磁気係合すべく交互に弁棒と共に移動する。

好ましくは、少なくとも１つのソレノイドを作動させるための付勢用パルスは、 入力としてとりわけ作業チャンバ体積及び望まれる作用速度に関するデータを受 けとるマイクロプロセッサ制御装置によって生成される。

好ましい一実施態様においては、多シリンダピストン油圧原動機の各シリンダを 結びつけられた低圧マニホールド及び高圧マニホールドに連結するため、コンピ ュータ制御式の電磁ポペットバルブが用いられる。

さらにもう１つの構成においては、制御感度を改善するためコンピュータ制御式 ！磁ポペットバルブと共に「先読み」設備をもつ流体作動ポンプが提供されてい る。

ヨーロッパ特許公開第０３６１９２７号はこのようなポンプについて記述してい るが、原動機を作動させるための流体ポンプを作動させることの背後にある原理 を利用しようとする場合に生じる問題点をいかに解決するか、すなわち正の圧力 に対してバルブをいかに開放するかについては全くヒントを与えてくれていない 。原動機の中でポペットバルブを用いるためには、これらのバルブに対し大きい 力を加えるか又は入念に制御されたタイミングパルスを供給して、各々のバルブ がその相対する側の圧力がほぼ等しくなったときにのみ移動するようにしなくて はならない。本明細書は、原動機に本発明を応用する場合の後者のアプローチに 関するものである。

油圧原動機の運転サイクルは、次の２段階から成る：まず第１に、動力行程であ り、ここでは作業チャンバは、その最大体積位置にまで強制的に押しやられるま で高圧マニホールドに対し露出されている。第２の段階は送出行程であり、ここ でバルブの作動はチャンバを低圧マニホールドに連結するよう配置し直され、体 積は最小体積位置まで戻される。通常、適当なマニホールド／チャンバ連結を行 なうよう転換ポートが用いられる。これらは、そこにおける界面のすき間が漏れ を理由として小さく保たれなくてはならないことから、ろ過水率が低いのでない かぎり、許容可能である。転換ポートの設計は同様に、ポペットバルブであれば 完全に除去されているせん断損失と漏れの間のかなり微妙な設計上のトレードオ フを必要とする。

本発明についてここで、添付図面を参考にしながら、例を用いて詳しく説明する 。なお図中： 図１は、協働する制御装置を伴う多ピストン油圧原動機の概略的断面図である。

図２は、下半分では閉鎖され上半分では開放された状態で示された図１の原動機 のシリンダ側面高圧ポペットバルブの１つの拡大断面図である。

図３は、左側では閉鎖され右側で開放された状態で示されている図１の原動機の シリンダ端部低圧ポペットバルブの１つの拡大断面図である。

図４は、プライムムーバ−の出力端で変速動力伝達装置を提供すべく結合された 油圧原動機とポンプの概略的断面図である。

ここで図１を参照すると、概略的断面図の形で多ピストン油圧原動機１０が示さ れており、ここでシリンダは１１という番号が付され、往復運動するピストンは １２という番号が付されている。各シリンダ１１の側壁の中には、高圧マニホー ルド１４と連絡しているポペットバルブ１３があり、各シリンダの端壁の中には 、低圧マニホールド１６と連絡しているポペットバルブ１５がある。ポペットバ ルブ１３及び１５は、オプトアイソレータ２１を介してバルブ駆動用半導体２２ に対して制御信号を供給するマイクロプロセッサコントローラ２０によって電気 的に制御される能動電磁弁である。

ピストン１２は、出力軸２４まで急速に駆動カム２３に作用し、このカム２３の 位置はエンコーダ２５によって検知されている。

前述のヨーロッパ特許出願明細書に記述されているのと同様の方法で、コントロ ーラ２０はエンコーダ２５、圧力変換器２６（アナログ−デジタル変換器２７を 介して）から、そして所望の出力速度デマンドシグナルを入れることのできるラ イン２８を介して、入力を受けとる。

図２及び図３に示されているポペットバルブは、永久磁気リング（３３，４３） とソレノイドコイル（３４，４４）の間にはさまれた環状磁極（３２，４２）の 影響の下でバルブの通路（３１，４１）内で軸方向に滑動可能な能動的なバルブ 部材（図２には３０として、図３では４０として示されている）を各々が有して いる点で類似している。各バルブの拡大した弁頭（３０ａ、４０ａ）はポペット 弁座（３５，４５）に対して密着しているが、バルブ３０の場合シリンダ圧力内 の高圧は弁座３５から離れるように弁頭３０ａをもち上げる傾向をもつのに対し 、バルブ４０の場合はこのような高圧力は、弁頭４０ａを促して弁座４５と密着 係合させることになる。各バルブ（３０，４０）は、開放している自然の状態を 有し、該当するソレノイドコイル（３４，４４）が通電された時点で引張られて 閉じる。しかしながら、その他の機構も可能であることに留意すべきである（例 えば、永久バイアスが全く無く、開き位置と閉じ位置の間の（２つの磁気コイル を介した）ソレノイド切換えが用いられる）。原動機のシャフト位置は、エンコ ーダ２５によって読みとられ、バルブコントローラ２０によって監視されている 。

サイクルが動力行程へと成る程度まで開始すると考えられる場合、高圧バルブ３ ０は開放され流れに対抗して保持されており、その一方で低圧バルブ４ｏはシリ ンダ１１とマニホールド１６の間の圧力差によりその弁座に対して閉じ状態に保 持されている。ピストン１２がほぼ下死点に至ると、制御装置２０は高圧バルブ ３０を閉じるべくパルスを送る。バルブがひとたび閉じられると、シリンダ圧力 は、下死点において低圧マニホールドＩ６のレベルに達してしまうまでのピスト ン１２の残りの下向き動作と共に降下する。低圧バルブ４０はここで、タイミン グを合わせた第２のパルスによって、或いは図３の永久バイヤスされたバルブの 場合には自発的に、開くことができる。ここでピストン１２は、シリンダ１１を ほぼ送出し總るまで、上向きに駆動される。この時点で、タイミングを合せたパ ルスは低圧バルブ４ｏを閉じ、高圧バルブ３０の開放を可能にするまでシリンダ のシリンダ圧力を上昇させるためにピストンの残りの動作が用いられる。バルブ に沿っての小さな圧力差を確実にするためのバルブタイミングのこのステージン グは、実際にはきわめて重要である。

運転開始時点で、システムは、再連結時点でシャフト２４が好ましい方向に回転 し始めるように、高圧マニホールド１４が連結解除された状態でバルブ（３０， ４０）を予備設定しなくてはならない。このことは即ち、バルブに始動設定のパ ルスを送る前に、シャフトエンコーダ及び方向スイッチの両方をコントローラ２ ０が読みとらなくてはならないということを意味している。方向逆転には、圧力 遮断、バルブ再設定及び、最後にマニホールド１４に対するシステム圧力の再付 加が必要である。

シャフト２４が原動機を駆動し始めると、これはポンプとしてではなく低速ダン パとして機能することになる。図２及び図３のバルブの場合、オーバーランの効 果は次の２段階で起こることになる：すなわち、最初に起こることは、負荷及び 流体圧力が一緒に作用することから、シャフト速度の増大である。検査されずに 残されると、これは第２の段階へと進むことになり、この段階では、弁座により 減速された流体は、高圧バルブ３０を動力行程を通して途中で閉じるのに充分な 大きさの圧力降下を生成することになる。このとき低圧バルブ４０は、ピストン １２が下死点に達するまで残りの行程のため圧力差によって開放される。コント ローラ２０は、その原動機の役目を果たし続ける場合、低圧バルブを送出行程の ため開放状態に放置することになる。次の動力行程は通常通りに始まるが、圧力 差によってひとたび高圧バルブ３０が閉じられると、再び低圧吸込み行程へと逆 転することになる。

コントローラ２０がオーバーラン状態を認識するようにプログラミングされてい る場合（例えばシャフト速度の増加、バルブ位置又は高圧マニホールドの圧力を 監視することにより）、これは、バルブ起動サイクルを見直すことによって原動 機をポンプに変換することができる。オーバーランを検知した時点で、コントロ ーラ２０は、ピストン１２が下死点に近づくにつれて低圧バルブ４０を閉し、同 様に瞬間的に上死点で高圧バルブを閉じる（圧力がこれらのバルブを閉じ状態に 保つのに充分なほど増大するまで）、オーバーラン状態の終了を検知した時点で 、コントローラ２０は、サイクル中の実行可能地点に近づくにつれて各シリンダ １１を原動機オペレーションへと変換し戻す。原動機作動からポンプ作動への変 更能力により、本発明に従った機械は出力軸の回生制動のために用いることがで きる。

一定の与えられた流量に対しシャフト速度を変化させることのできるほとんどの 原動機は、成る形態の可変行程設備を利用することによってこれを行う。本発明 に基づく原動機は、ポンプについて前述のヨーロッパ特許出願明細書に記述され ているのとほぼ同じ要頭でシリンダの無効化を可能にするが、この場合、高圧バ ルブ３０が直後に続く動力行程のために開放できないように、低圧バルブ４０は 送出行程の終わりで開放状態に放置される。同量の流体を消費するために、完全 に有効化された原動機に比べて部分的に無効化された原動機はより多い回転数だ け回転するため、シャフト速度は有効化されたシリンダの数に反比例することに なる。

原動機１０を前述のポンプ５０の出力端に直接連結しなくてはならない場合、結 果として汎用変速動力伝達装置が得られることになるＣ図４に示されているよう に）。定容量型機械を可変容量型機械に連結する上で通常見られる問題点は、速 度／トルク範囲の両極端においてピーク出力必要条件に従ってシステムをサイズ 決定しなくてはならないということにある。このことはすなわち、コンポーネン トのうちの１つは大力の時間をその定格容量よりはるかに下で作動することに費 していることを意味しており、可動型の利用分野においては、余分な重量という 性能上のペナルティをも課している。

両方のユニットが可変的なものでコントローラ２０がシステム圧力及び出力軸速 度の両方を制御するためのシステム管理用の参照テーブルを有する場合、システ ムはより効率良く作動できる。コントローラは、任意に、低圧で高速にて流体を ポンプ送りするか又は逆に低流速、高圧でポンプ送りすることによって同じ入出 力軸速度を得ることができる。

動力伝達装置の設計において考慮すべき重要な点は、方向転換と同様にオーバー ラン条件を処理する必要があるということである。ポンプ５０の出力は、圧力オ フ条件を実効させ逆転のためのバルブ再構成を可能にするため必要とあらば半回 転以内にカットすることができる。オーバーランの時点で、ポンプとして働くこ とのできる原動機が実際のポンプの出力に加わることになり、かくしてシステム 圧力は上昇しコントローラは正常な条件が戻るまで全てのポンプシリンダを無効 化することになる。高圧マニホールド内の望まれない流体（及びエネルギー）は 、次にリリーフバルブを介してこぼれ出るか又はアキュムレータ内に保存されう る。

図４は同様に、カムプレート５３を介してポンプシリンダ５１内のピストンを往 復運動させるためプライムムーバ６０がいかに主軸５４を駆動するかを示してい る。ポンプ５０のソレノイドポペットバルブ６５は、コントローラ２０に連結さ れたポンプバルブ駆動機構６６を介して電気的に制御されている。ポンプピスト ン位置は、シャフトトリガー５５によって信号で知らされる。高圧マニホールド １４は、バネ推進式出口弁６３を介してポンプシリンダ５１に連結されている。

フィルタ７０を介してブースタポンプ７１に供給を行なうタンク６９に連結され た過剰圧力リリーフバルブ６８も含むマニホールド１４の中に、蓄圧器６７が具 備されている。

前述のヨーロッパ特許出願明細書において明らかにされているように、往復動油 圧ポンプの大口弁の電気的制御により、機械的に制御されるバルブを有するポン プでは不可能な重要かつ有利な影響が生じ、ここでこれについて図１を参照しな がら記述する。

図１は、カム２３を駆動しカムシャフト２４を回転させるピストン１２のリング を有する多ピストン原動機１０を示している。ポンプとして作動する各々のピス トン１２は、回転するカム２３の駆動力の下でそのシリンダ１１の中で往復運動 し、油圧液を、各吸込行程中電磁的に制御されたバルブ１５を介して低圧マニホ ールド１６からシリンダ１１内へと引き込む。下死点（ＢＤＣ）において、各ピ ストン１１は運動方向を逆転させその送出し行程を開始する。それぞれのバルブ １５が閉じられている場合、油圧流体は開放したバルブ１３を介して高圧マニホ ールド１４内へ強制的に押しやられる。

ポンプとしての作動において、マイクロプロセッサコントローラ２０は、バルブ １３及び１５の開閉を制御するのに用いられる。シャフトトリガーの信号が、カ ム２３の回転を検知するトランスジューサ２５により性成され、ポンプ出力需要 に関するライン２８上のデジタル入力及び圧力ドランスジューサ２６に接続され たアナログ／デジタル変換器２７からのデジタル入力と共にコントローラ２０に 供給される。

ユニット２０は、−列のソレノイド駆動機ｆ１１２２をＩＩＩ　１Ｂするデジタ ル出力を徒供する。

マイクロプロセッサ制御ユニット２０は、ポンプシステムの需要特性をシステム のフィードバックと比較しシリンダの起動時点で信号を出力し次のシリンダが下 死点に達するようにさせてシステムがその流体押しのけ容積を必要とした場合に 有効化状態になるようにする複数の組込み型アルゴリズムを含むことができる。

このアルゴリズムは望ましくは、突然のサージを防ぐような変更アルゴリズムの 最大速度で加減される。従って、ポンプシステムの実際の動作押しのけ容積特性 は、望まれる需要押しのけ容積特性に従って電磁的に変更される。次に、有効化 パルスは、そのモジュール内のピストン１２が下死点に達する時までに１つのモ ジュールのバルブ１６をちょうど閉鎖するためノイズアルゴリズムによってタイ ミングを合せた後ソレノイド駆動機構２２に送られる。このようにして、遅いバ ルブ閉鎖により生成される衝撃波は軽減される。

図１に示されているハードウェアは、例えば機械が異なる２つのモードつまり流 量制御モードと圧力制御モードでポンプ送りしているときに作動可能である。

棟１１１ト辷二Ｌ コントローラ２０は、押しのけ容積需要（固定レベル又はオペレータジョイステ ィックといった外部的入力からのもの）と、ポンプにより生成された押しのけ容 積の移動勘定を記録する。各シリンダの有効化の機会毎に、コントローラ２０は 、現行のシリンダの最大有効度の時点で予測された需要がその有効化を正当化す るか否かを決定する。これは、押しのけ容積勘定がシリンダの半分以上の赤字で ある場合に起こる。アキュムレータ１４ａ（マニホールド１４に連結された状態 で示されている）は、半シリンダ誤差がライン圧力における１０％未満の変動を ひき起こすように寸法決定される。この制御方法は、いかなるフィードバックも 用いられないことからそれ自体オーブンループ クロプロセッサコントローラ２０の需要人力２日よりも前に総和接合点を位置づ けることによって通用されうる。

圧力Ｍ里天二上 この状況において、制御装置２０は、需要関数の如何に関わらず出力ライン上に 要求される圧力を維持しようとする。

実際それが行なうことは、アキュムレータの体積をできるかぎりゼロ誤差状態に 保とうとすることである。ポンプ送り必要条件を知るためには、システムは出力 端から負荷までの流量を計算しなくてはならない。これは、連続する２つのシリ ンダ決定間隔でシステム圧力を測定することにより行なうことができる．圧力の 変化は、アキュムレータ１４ａからシステムへの押しのけ容積の貢献を示すアキ ュムレータの体積の変化に匹敵する。その時間的間隔中にポンプが送り出しする 押しのけ容積は、以前に有効化されたシリンダの記録から計算される。出力流量 は、ポンプとアキュムレータの流量の合計である（というのも、これらの目的で 流れは圧縮不能であるからである）。

出力流量需要、関わり合ったシリンダからの押しのけ容積及びアキュムレータへ の押しのけ容積（これをゼロ誤差位置まで復帰させるための）は次に組合わされ て、現行のシリンダを有効化すべきか否かについての決定を可能にする。

マイクロプロセッサコントローラ２０には例えば以下のものを含む異なる入力が 具備されていてよい：１、　例えばポテンシオメータ、スロットルペダル（車両 の駆動機構のために用いられるポンプの場合）又はデジタル設定点といったポン プシステム需要特性。

２、　例えば原動機速度センサーからのポンプシステムフィードバック信号、 ３、　ポンプケーシング上にある加速度計といったノイズセンサー。

上述のことから、ポンプの各サイクル内でのポンプの各ピストン及びシリンダモ ジュールのバルブ１５を制御する能力のために、ポンプ特に多数のシリンダをも つポンプは、多少の差こそあれ無限の押しのけ容積変動を行なうことができると いうことが容易にわかる。これは、これまでのポンプにおいて可能であった段階 的なタイプの変動とは異なる。

例えば、サイクル毎にその出力が変化するようポンプの動作をプログラミングす ることが可能である。代替的には、ポンプを各々複数のシリンダを含む独立して 作動可能な一定数の区画に分割することも可能である。各々の区画は、押しのけ 容積に関し独立して制御され得、別々の機械を作動させるために用いることがで きる。

上述のものと類似の要領で、図１に示されてし）る機械を少なくとも２つの異な るモードで原動機として作動させることもできる。

可・六　日ー゛庁モード　シルーブ これは、ポンプオペレーションにおける流量制御モードと同等のものである。コ ントローラ２０は、最大の平滑度を確保するため累積された押しのけ容積誤差基 準を用し）る有効イヒシーケンスを生成する。速度は、有効化された又（よ利用 可能なシリンダ比に反比例する。連続した正のトルりにつし）で、最高速度限界 は、回転のあらゆる点で単一のシ１ノンタ゛力く有効化されたときに達成される ものによって規定される（すなわち、一回転につき最低２回のシリンダ有効化） 。最イ氏速度しよ全てのシリンダが有効化された時点で起こる。６シＩＪンタ゛ 式ポンプにおいて、これは、一定の与えられた流量につし）で１／３から最大限 の速度範囲を与える。

０転゛庁　′１１（　ループ） これは、ポンプオペレーションにおける圧力制御モードＧこ匹敵するものである 。ここで出力軸速度は、コントローラ２０にフィードバックされる。シリンダ有 効化アルゴＩＪズムは、決定シリンダの最大有効度までの時間内Ｇこ必要とされ る回転を行なうべく原動機によりめられる押しのけ容積を外挿する。これは、そ の有効化決定に達するため来たる時間内に先に有効化されたシリンダの押しのけ 容積消費を内蔵する。

このプロセスは比較的精確な速度制御を行なうのみならず位置的精度も維持する （すなわち合計回転数）。

各図面は軸方向シリンダを図示しているものの、本発明は、ポペットパルプが静 止しているポンプ又は原動機のあらゆる構成に通用可能であり、半径方向リング −カム構成が特に適している。

補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成４年３月を日

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．周期的に体積が変化する複数の作業チャンバ、高圧流体マニホールド及び低 圧流体マニホールド、各々の作業チャンバをそれぞれ各々のマニホールドに結合 するものを少なくとも１つ含む複数の電磁制御弁、チャンバの体積変化にタイミ ングを合せた関係でバルブを作動させるための順序づけ手段を有する流体作動機 械において、各々のパルプは環状バルブ部品と環状弁座との係合によりそれぞれ のマニホールドからそれぞれのチャンバを密封していること、及びバルブ上の強 磁性体と作用し合うことによりバルブ部品を弁座との関係において磁気的に移動 させるようソレノイドが具備されていることを特徴とする、流体作動機械。
2. ２．少なくとも１つのバルブが弁棒及び拡大された弁頭を有するポペットバルブ であり、環状パルプ部品は弁頭上に具備され、強磁性体は弁棒上に具備されてい ることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の機械。
3. ３．ソレノイドコイルは弁棒をとり囲み、弁棒上の強磁性体の環状部品と作用し 合うことを特徴とする、請求の範囲第２項に記載の機械。
4. ４．前記少なくとも１つのバルブの弁棒上の強磁性体がマニホールドとの関係お いて固定された永久磁石の磁界内で移動し、この永久磁石は、バルブ部品が弁座 から間隔どりされた状態にある位置又はバルブ部品が弁座に密着している位置で バルブをラッチングするべく強磁性体と作用することを特徴とする、請求の範囲 第２項又は第３項に記載の機械。
5. ５．ソレノイドコイル、永久磁石及び強磁性体は全て環状であり、強磁性体は、 コイル及び磁石と磁気係合すべく交互に弁棒と共に移動することを特徴とする、 請求の範囲第４項に記載の機械。
6. ６．少なくとも１つのソレノイドを作動させるための付勢用パルスが、入力とし てとりわけ作業チャンバ体積及び望まれる作用速度に関するデータを受けとるマ イクロプロセッサ制御装置によって生成されることを特徴とする、請求の範囲第 １項乃至第５項のいずれかに記載の機械。
7. ７．各バルブがその相反する側面上の圧力がほぼ等しい場合にのみ移動するよう に、コントローラにより生成された励起用パルスのタイミングが合わされている 原動機として作動する場合の請求の範囲第６項に記載の機械。
8. ８．コントローラによって生成された励起用パルスは、関連する時間における予 想された加圧流体の需要がその有効化を正当化するものである場合に作業チャン バを有効化するためにのみバルブに供給される、ポンプとして作動する場合の請 求の範囲第６項に記載の機械。
9. ９．コントローラによって生成された励起用パルスが、ポンプからのノイズ出力 を最小限におさえるべくタイミングを合わされている、ポンプとして作動する場 合の請求の範囲第６項に記載の機械。
10. １０．コントローラによって生成された励起用パルスは、決定シリンダにおける 最大の有効性に至るまでその時間内で必要な回転を行なうために原動機が要求す る流体の押しのけ容積を基準にしてタイミングが合わされている、原動機として 作動する場合の請求の範囲第６項に記載の機械。