JP2005534850A - 流体フロー制御用電動バルブ - Google Patents

Abstract

本発明は、バルブハウジング（１１）と、スプール（１２）と、電動バルブ（１０）を加圧流体源に接続する第１流路（１４）と、電動バルブ（１０）を流体リザーバに接続する第２流路（１５）と、制御流体フロー利用装置に対し流体を送給すべく又は当該装置から流体を収受すべく電動バルブ（１０）に通じる第３流路（１６）と、第１及び第２流路（１４，１５）が閉鎖されるレスト位置へとスプール（１２）を付勢する一対の相対向するスプリング（１７，１８）と、スプール（１２）の第１端に対応して設けられその励起時においては第１流路（１４）が開くようスプール（１２）を変位させる第１電気コイル（１９）と、スプール（１２）の第１端に対応して設けられその励起時においては第２流路（１５）が開くようスプール（１２）を変位させる第２電気コイル（２０）と、を備える電動バルブ（１０）に関する。

Description

本発明は、流体(hydraulic fluid)のフローを制御するための電動バルブに関する。

流体フロー制御用の電動バルブは、例えば、内燃機関用エンジンバルブに組み込まれた流体アクチュエータに向かう流体フローを制御するために、使用されている。即ち、従来からしばしば提案されているように、内燃機関を構成する機械的なカムシャフトを一連の流体アクチュエータによって置き換え、当該流体アクチュエータに対する流体フローを制御してエンジンバルブを開閉する構成とすることが可能であり、この流体フロー制御に適したバルブ配置乃至構成が様々に提案されている。しかしながら、この種のバルブに対しては更なる構造簡素化及びコスト低減が要求されている。

本発明は、内燃機関用エンジンバルブに組み込まれた流体アクチュエータ等の制御流体フロー利用装置における流体フローを制御するための電動バルブについて、その構造簡素化及びコスト低減を目指すものである。そのため、本発明に係る流体フロー制御用の電動バルブにおいては、
バルブハウジングと、
バルブハウジング内に設けられたスプールチャンバ内を摺動可能なスプールと、
スプールチャンバを加圧流体源に接続すべくバルブハウジング内に通じる第１流路と、
スプールチャンバを流体リザーバに接続すべくバルブハウジング内に通じる第２流路と、
制御流体フロー利用装置に対し流体を送給すべく又は当該装置から流体を収受すべくスプールチャンバ内に通じる第３流路と、
スプールチャンバ内に対する第１及び第２流路の通流がスプールにより閉鎖されその結果第３流路に係る流体フローが阻止されるレスト位置へと、スプールを付勢する一対の相対向するスプリングと、
スプールの第１端に対応して設けられ、その励起時においては、加圧流体源からの流体が第１流路から第３流路へと流れうることとなるよう、第２流路が閉鎖し且つ第１流路がスプールチャンバと通流する位置へとスプールを変位させる第１電気コイルと、
スプールの第２端に対応して設けられ、その励起時においては、制御流体フロー利用装置からの流体が第３流路から第２流路へと流れうることとなるよう、第１流路が閉鎖し且つ第２流路がスプールチャンバと通流する位置へとスプールを変位させる第２電気コイルと、
を設けている。

図１に、その内部における流体フローを制御する電動バルブ１０を示す。このバルブ１０は、バルブハウジング１１と、バルブハウジング１１内を摺動可能なスプール１２とを備えている。より詳細には、バルブハウジング１１内にはスプールチャンバ１３が形成されており、スプール１２はこのスプールチャンバ１３内を摺動する。

また、バルブハウジング１１内に通じるよう第１流路１４が設けられており、この第１流路１４は、スプールチャンバ１３を圧力源即ち加圧流体源に接続している。

更に、バルブハウジング１１内に通じるよう第２流路１５が設けられており、この第２流路１５は、スプールチャンバ１３を、流体をリザーバに回流させるためのリターンラインに接続している。

そして、バルブハウジング１１内に通じるよう第３流路１６が設けられており、この第３流路１６は、バルブ１０を、当該バルブ１０により制御される流体フローを収受する装置に接続している。

図１においては、一対の相対向するスプリング１７及び１８が、スプール１２を中心位置に位置決めするよう、協働している。スプール１２が中心位置即ちレスト位置にあるときにも、両スプリングは引き続き圧縮された状態にあり、従ってスプール１２に対してそれぞれ力を及ぼしている。但し、これら２個のスプリング１７及び１８から加えられている力は同じ大きさを有する互いに逆向きの力である。

更に、スプール１２の端部を取り巻くよう、電気コイル１９及び２０が配置されている。スプール１２の各端部には、更に、これを取り巻くように電機子２１及び２２が配置されている。

また、スプール１２を取り巻くよう、スリーブ２３が配置されている。このスリーブ２３は、２個の環状端面２４及び２５を有している。これらのうち環状端面２４は電機子２１の環状端面２６に、また環状端面２５は電機子２２の環状端面２７に、それぞれ面している。

電気コイル２０が励起されると、磁気回路の動作によって電機子２２が引っ張られ、スリーブ２３の環状端面２５に接触作用する。その結果、スプール１２は、スプリング１８による付勢力に逆らって、図１に示した位置より右側の位置に動く。

同様に、電気コイル１９が励起されると、この電気コイル１９にて発生した磁界の作用によって電機子２１がスリーブ２３の環状端面２４へと引っ張られる。その結果、スプール１２は、スプリング１７による付勢力に逆らって、図１に示した位置より左側の位置に動く。

スプール１２が図１に示した位置にあるときには、圧力ライン１４及びリターンライン１５が共にスプールチャンバ１３に対して閉鎖されているため、流路１６に向かう流体フローや流路１６からの流体フローは生じ得ない。

スプール１２が図１に示した位置より右側の位置に動いたときには、流路１６はスプールチャンバ１３を介してリターンライン１５に接続される。従って、このときは、ライン１６からスプールチャンバ１３を介して流路１５へ、更には流体リザーバへと向かう流体フローが、生じうる。

スプール１２が図１に示した位置より左側に動いたときには、流路１４がスプールチャンバ１３に対して開放する一方、流路１５は引き続き閉鎖される。そのため、このときは、加圧された流体が流路１４からスプールチャンバ１３を介して流路１６へと流れうる。

流路１６は、スプールチャンバ１３に対し恒常的に開放している。

図１においては、ヌル調整機構２８が設けられている。この機構は、その外側にねじ山が切られている回動可能ねじ５０を、バルブハウジング１１内に形成されているねじ穴５１内にねじこんだ構成を有している。ねじ５０の頂部には六角ソケット５２が設けられており、この六角ソケット５２はアレンキーにより回すことができる。他方、ねじ５０の先端部には偏心カム５３が設けられており、この偏心カム５３はスリーブ２３の反作用面に対し作用する。従って、六角ソケット５２を回して偏心カム５３をスリーブに作用させることにより、バルブハウジング１１内でスリーブ２３を摺動させることができる。そのため、２個の電気コイル１９及び２０を非励起状態としスプール１２を２個のスプリング１７及び１８により中心位置に位置決めした状態で、カム回動操作を行えば、スリーブ２３のポートのうち圧力ライン１４をスプールチャンバ１３に接続するためのポートと、リターンライン１５をスプールチャンバ１３に接続するためのポートとを、共にスプール１２により確実に閉鎖させるようにすることができる。

また、両スプリング１７及び１８による力が互いに相殺しあっているため、両スプリング１７及び１８によりレスト位置にてスプール１２に大きなプリロードを負わせてスプリングレートを低く設定すれば、スプール１２を図１中の中心位置から動かすのにどの程度の力が必要であるかを決定することができる。これによって、メータリングバルブの如くバルブを簡易に扱うことが可能になる。それは、一つには、各電気コイル２０及び２１に流れる電流を調整することによって、バルブスプール１２の変位を変化させ、スリーブ２３の各ポートにおける開口を変化させ、ひいてはバルブ１０を介するフローの流速を変化させることが、可能であるためである。但し、望むのであれば、コイル１９及び２０に対して高レベルの方形波信号を印加することにより両極端の位置の間でスプール１２を移動させること、ひいてはバルブ１０を単なるスイッチングバルブとして動作させることも、可能である。

次に、バルブ１０の模式的構成を図２に示す。図示の如く、圧力ライン１４は加圧流体源たるポンプ３０に接続されており、リターンライン１５はリザーバ３１に接続されており、ライン１６はアクチュエータ３２に接続されている。アクチュエータ３２はピストン３３を有しており、このピストン３３は、スリーブ３４により形成されたシリンダ内に可動配置されている。ピストン３３及びスリーブ３４は、いわば、ライン１６を介して流体を収受する可変容積チャンバ３５を形成している。

スリーブ３４内には位置センサ３６が一体に組み込まれている。この位置センサ３６は、電子コントローラ３７に対するフィードバック信号を発生させる。電子コントローラ３７は、他の受信パラメタと共にこのフィードバック信号を用いて、バルブ１０に対する制御信号を発生させる。先に説明したように、この制御信号は、コイル１９及び２０のうち一方に対する電流供給の制御に使用される。

アクチュエータ３２がバルブ１０を介してポンプ３０に通流している状態では、ピストン３３が下向きに押し下げられるため、内燃機関のエンジンバルブ（例えば吸気バルブや排気バルブ）４０が開放する。

アクチュエータ３２がバルブ１０を介してリザーバ３１に通流している状態では、エンジンバルブ４０に付設されているバルブスプリング４１がピストン３３に作用し、ピストン３３及びスリーブ３４により規定されているチャンバの容積が減少する。その結果押し出された流体は、バルブ１０を介してリザーバ３１へと送られる。

電子コントローラ３７は、エンジンバルブ４０の位置を制御するためのクローズドループ制御システムの一部である。電子コントローラ３７は、ピストン３３の位置（及びその変化速度）に関する要求信号をバルブ１０に送信することによって、間接的にエンジンバルブ４０に対し指令する。電子コントローラ３７は、位置センサ乃至変位トランスデューサ３６から発せられる信号、ひいては誤差信号に応じ、バルブ１０に送信する制御信号を調整する。

このようにしてフィードバック信号を用いることは重要なことである。なぜなら、クローズドループフィードバックシステムを設けることにより、エンジンコンポーネントの摩耗摩損を勘定に入れた調整をエンジン寿命期間に亘り電子コントローラ３７が行う、という適応型の制御が可能になるからである。

電機子２１及び２２は、電気コイル１９及び２０の内側における可動性を保ちつつ、コイル１９及び２０の対向端面（内側でも外側でもよい）に対向する面を有する放射状プレートにより形成することが、可能である。ハウジング１１中に適宜、コイル１９及び２０に隣接するチャンバを設け、このチャンバ内を放射状電機子が動くようにすればよい。また、スプール１２内部の空洞内にスプリング１７及び１８を配置した例を図示したが、これらスプリング１７及び１８をスプール１２の外側、例えばスプールチャンバ１３内に、配置することもできる。これは、便宜に応じて選択すればよい。

バルブ４０の開閉速度は、バルブ１０を介したフローにおける流速を制御することにより、制御することができる。

本発明の好適な実施形態に係る流体フロー制御用の電動バルブを示す図である。 図１に示した電動バルブの内燃機関における用例を示す図である。

Claims (8)

1. 流体フロー制御用の電動バルブであって、
   バルブハウジングと、
   バルブハウジング内に設けられたスプールチャンバ内を摺動可能なスプールと、
   スプールチャンバを加圧流体源に接続すべくバルブハウジング内に通じる第１流路と、
   スプールチャンバを流体リザーバに接続すべくバルブハウジング内に通じる第２流路と、
   制御流体フロー利用装置に対し流体を送給すべく又は当該装置から流体を収受すべくスプールチャンバ内に通じる第３流路と、
   スプールチャンバ内に対する第１及び第２流路の通流がスプールにより閉鎖されその結果第３流路に係る流体フローが阻止されるレスト位置へと、スプールを付勢する一対の相対向するスプリングと、
   スプールの第１端に対応して設けられ、その励起時においては、加圧流体源からの流体が第１流路から第３流路へと流れうることとなるよう、第２流路が閉鎖し且つ第１流路がスプールチャンバと通流する位置へとスプールを変位させる第１電気コイルと、
   スプールの第２端に対応して設けられ、その励起時においては、制御流体フロー利用装置からの流体が第３流路から第２流路へと流れうることとなるよう、第１流路が閉鎖し且つ第２流路がスプールチャンバと通流する位置へとスプールを変位させる第２電気コイルと、
   を備える電動バルブ。
2. 請求項１記載の電動バルブにおいて、スプールがレスト位置にあるときに上記一対の相対向するスプリングがそれぞれスプールに力を作用させる電動バルブ。
3. 請求項１又は２記載の電動バルブにおいて、その内部をスプールが摺動可能なスプールチャンバが形成されるようスプールを取り巻くスリーブを備え、このスリーブが、第１流路をスプールチャンバに接続するための第１ポートと、第２流路をスプールチャンバに接続するための第２ポートと、第３流路をスプールチャンバに接続するための第３ポートとを有し、更に、上記電動バルブが、バルブハウジングに対してスリーブを摺動させる調整機構を備える電動バルブ。
4. 請求項３記載の電動バルブにおいて、調整機構が、スリーブ上の反作用面に作用する回動可能カムを有する電動バルブ。
5. 先行する請求項のうち何れか１項に記載の電動バルブにおいて、スプールが、当該スプールの第１端を取り巻くよう且つ第１電気コイルの内側にて随時変位するよう当該スプール上に実装された電機子と、当該スプールの第２端を取り巻くよう且つ第２電気コイルの内側にて随時変位するよう当該スプール上に実装された電機子と、を有する電動バルブ。
6. 先行する請求項のうち何れか１項に記載の電動バルブを動作させる方法であって、
   加圧流体源からの流体を制御流体フロー利用装置へと中継すべきときには第１電気コイルを選択して励起し、また制御流体フロー利用装置から流体リザーバへと流体を回流させるべきときには第２電気コイルを選択して励起するステップと、
   各電気コイルに流れる電流及び／又は各電気コイルに加わる電圧を制御することによって上記電動バルブにおける流体の流速を制御するステップと、
   を有する方法。
7. エンジンバルブ作動システムであって、
   エンジンバルブを開くときには伸張し閉ざすときには収縮するよう且つエンジンバルブスプリングからの作用の下に動作しエンジンバルブに作用するアクチュエータと、
   アクチュエータに向かう流体のフロー又はアクチュエータからの流体のフローを制御する請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の電動バルブと、
   アクチュエータを制御する電子コントローラと、
   を備えるエンジンバルブ作動システム。
8. 請求項７記載のエンジンバルブ作動システムにおいて、
   アクチュエータが、シリンダ内に可動配置されたピストンを有し、
   上記システムが、ピストンの位置を示す位置信号を出力する位置トランスデューサを備え、
   電子コントローラが、この位置信号を用いて誤差信号を発生させアクチュエータのクローズドループ制御を行うエンジンバルブ作動システム。

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