JP2008508492A - 液圧導管の中の液体フローのフロー速度の制御のための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

液圧導管（３）の中の液体フローのフロー速度を制御するための装置において、液体によって貫流可能な導管部分（２）を有し、この導管部分（２）における液体の中に均一な二相混合物（５）を発生するための装置（４）を有する、液圧導管（３）の中の液体フローのフロー速度を制御するための装置。

Description

従来技術
本発明は液圧導管の中の液体フローのフロー速度の制御のための装置ならびに方法に関する。

多くの適用事例において、例えば所望のフロー速度を調整するために及び／又は望ましくない圧力脈動を除去又は少なくとも平滑化するために及び／又は圧力脈動を少なくともフロー方向において反射するために、液圧導管内の液体フローの速度を制御することが必要である。フロー速度がこのように制御されなければならない液圧システムは、とりわけ自動車に存在し、例えば燃料噴射システム、パワーアシスト付きステアリングシステム及びブレーキシステムがある。これらのハイダイナミックシステムにおいては、とりわけ圧力脈動の除去又は平滑化が特別に重要である。

例えば制御バルブのような従来の制御装置は内部の流体力学的に有効な幾何学的構成を変更することによって作動する。言い換えれば、このような制御バルブは少なくとも２つの位置の間で位置調節可能であるバルブ素子を含む。よって、従来の制御バルブは少なくとも物体的に位置調節可能なコンポーネントを含む。ハイダイナミックプロセスでは、このようなメカニズムを有する従来の制御バルブは大きな摩耗現象に晒される。

発明の利点
請求項１の構成を有する本発明の制御装置乃至は請求項１０の構成を有する本発明の制御方法は、従来技術に対して次のような利点を有する。すなわち、フロー速度の制御のためにメカニズムが必要なく、すなわち物体的に運動されるコンポーネントが必要でない。この結果、本発明はいわば摩耗なしで作動する。さらに、本発明のバルブは可動部分を必要とせず、この結果、きわめて短いスイッチング時間が実現可能である。この制御装置及びこの制御装置を装備した液圧システムの結果的に得られる利点は明白である。

本発明はこのために設けられる導管部分において均一な二相混合物を液体中に発生し、その都度所望のフロー速度をこの二相混合物の気相の質量割合の変化によって調整するという一般的なアイデアに基づく。本発明はこの場合次のような認識を利用する。すなわち、均一な二相混合物内部では音波速度が気相の質量割合に強く依存し、この結果、二相混合物の音波速度を明白に低減するのに気相の非常に小さい質量割合でも十分である。例えば、水と水蒸気との混合物において気相がない場合にはほぼ１４００ｍ／ｓの音波速度が、ほぼ１０^-3の気相の質量割合においてほぼ１６ｍ／ｓに低下する。本発明において重要なことはさらに二相混合物の音波速度がいわば最大到達可能フロー速度を表すという考察である。なぜなら、超音波フローは極めて高い衝撃損失をもたらすからである。

従って、本発明の制御装置によって所望のフロー速度を調整するためには、所期のとおりに二相混合物が発生され、この二相混合物において結果的に生じる二相混合物の音波速度が所望の調整すべきフロー速度に相応するように気相の質量割合が選択される。

さらにこのような制御装置はとりわけ簡単に圧力脈動の除去又は少なくとも平滑化に利用できる。というのも、二相混合物の気相の質量割合によってこれから結果的に生じる二相混合物の音波速度を介して制御装置の導管部分を貫流する最大許容フロー速度が定められるからである。従って、亜音速のフロー速度は導管部分をいわば減衰されずに通過し、他方で超音速のフロー速度は極めて高い衝撃損失によって強く減衰され、よって明らかに平滑化される。圧力パルスは局所的に過剰に高い速度を有するので、所望の平滑化乃至は除去が得られる。

有利には導管部分は定められた断面積狭さく箇所を有するか又はそれ自体で液圧導管内部に定められた断面積狭さく箇所を形成する。このような断面積狭さく箇所によって液圧導管内部で制御装置の領域において局所的に液体フローのフロー速度が高められ、これによって他の液圧導管の部分で比較的低いフロー速度であっても比較的急速に二相混合物の音波速度の領域に至ることができる。このようにして、制御装置は有利には設けられた制御領域に適応される。

有利には実施形態において二相混合物は断面積狭さく箇所の領域において発生され、この結果、フロー方向に依存せずにフロー速度を調整することができる。

別の実施形態では、導管部分が断面積狭さく箇所に隣接して拡張された断面積を有する二相ゾーンを有し、この場合、二相混合物は二相ゾーンの領域で発生される。このような実施形態ではフロー速度の制御は瞬時のフロー方向に依存する。まず最初に気相の質量割合が最大調整可能フロー速度を定める。二相ゾーンが断面積狭さく箇所の下流にある場合には、断面積狭さく箇所内部で二相混合物の音波速度を上回る速度が調整される。しかし、二相ゾーンが断面積狭さく箇所の上流にある場合には、二相混合物が断面積狭さく箇所の中にまで広がることを液体フローが惹起する。そこには比較的高い速度があるので、二相混合物の音波速度が非常に早くに達成され、この結果、制御装置はこのフロー方向においては他の液圧導管の部分で比較的低いフロー速度であっても遮断する乃至は減衰させる。このような実施形態によってとりわけ圧力脈動の方向に依存する反射が達成されうる。

本発明の更なる重要な構成及び利点は従属請求項、図面及び図面に基づく所属の図面説明記述箇所から得られる。

図面
本発明の実施例は図面に図示され、以下において詳しく説明される。同一の参照符号は同一の又は類似の又は機能的に同一のコンポーネントを示す。
図面はそれぞれ概略的に次のようなものである。
図１は半分の長さ部分において本発明の装置の簡略化された原理図を示し、
図２は図１のような、しかし他の実施形態における平面図を示し、
図３は本発明の装置の有利な実施形態の原理的な回路図を示す。

実施例の記述
図１及び２に相応して本発明の制御装置１は導管部分２を含み、この導管部分２は液体によって貫流され、図面では中括弧によって記されている。組み込まれた状態においてこの制御装置１は液圧導管３の中に結合されており、すなわち、導管部分２は液圧導管３の一部分を形成し、この結果、液圧導管３の中を輸送される液体が導管部分２も貫流する。

制御装置１にはさらに発生装置４が装備されており、この発生装置４は導管部分２で液体の中に均一な二相混合物を発生することを可能にする。発生装置４の動作中に形成される二相混合物は図面では交叉斜線ハッチングによってシンボライズされており、参照符号５が付けられている。このようにして発生装置４の動作において導管部分２の内部で二相ゾーン６が形成され、この二相ゾーン６の中には二相混合物５が存在し、この二相ゾーン６は図面では中括弧によって記され、参照符号６が付けられている。

有利には、液圧導管３内部の導管部分２は所定の断面積狭さく箇所を形成する。ここに図示された実施形態では導管部分２にはこの目的のために所定の断面積狭さく箇所７が設けられ、この断面積狭さく箇所７も同様に中括弧によって記されている。この場合、断面積狭さく箇所７は図１の実施形態では二相ゾーン６と一致する。これは、発生装置４がこの実施形態では二相混合物５を断面積狭さく箇所７の領域において発生することを意味している。これとは異なり図２の実施形態では二相ゾーン６と断面積狭さく箇所７とはフロー方向に関連して互いに隣接して配置されている。この場合、二相ゾーン６は断面積狭さく箇所７に比べて拡張された断面積を有する。

均一な二相混合物５は原理的には任意のやり方で二相ゾーン６の領域において発生されうる。次に説明する実施形態はそれゆえまったく例示的なものであり、一般性の限定ではない。

有利なのは、発生装置４が二相混合物５の気相を直接的に液圧導管３の中を輸送される液体フローの液相から発生することができる実施形態である。例えば、発生装置４が二相ゾーン６において液体を気相の発生のために例えば相応の超音波又はマイクロ波による印加によって励振する。気相はこの場合直に液相の中で生成され、この結果、均一な二相混合物５が直接液体フローの中で発生される。

代替的に、まず最初に液体の部分流が分岐され、ついでこの部分流が気相の発生のために気化され、こうして発生された気相が液相の中へと戻され、この結果、均一な二相混合物５を発生する。

図１及び２によれば、発生装置４は例えばバイパスチャンバ８を有し、このバイパスチャンバ８はバイパス９を介して導管部分２とつながっている。従って、導管部分２に液体が貫流すると、このバイパス９を介して部分流が分岐される。さらに、発生装置４は加熱装置１０を含み、この加熱装置１０によってバイパスチャンバ８の中へ取り込まれた液相は加熱によって気相に変換される。例えば、加熱装置１０はヒーティングフィラメントなどの形式の抵抗加熱部であり、これはバイパススペース８の中に配置されている。代替的に、加熱装置は例えばマイクロ波、超音波及び／又は赤外線波によっても作動しうる。加熱装置１０によって発生された気相は図１及び２では複数の小さな丸によってシンボライズされており、参照符号１１が付けられている。

発生装置４が発生された気相１１を二相ゾーン６の中へと均一な二相混合物５の発生のために取り入れるために、導管部分２にはここに示された実施形態では二相ゾーン６の領域において気体に対して透過的な内壁１２が設けられている。バイパスチャンバ８の中の相応の気体圧力によって気相１１はこの気体に対して透過的な内壁１２を通過し、これによって二相ゾーン６において二相混合物５が生じる。気体に対して透過的な壁１２の適当な形態によって及び／又は二相ゾーン６内のフロー案内によって、この場合二相混合物５の必要とされる均一性が達成される。内壁１２は例えば孔があけられている又は多孔質であることによって気体に対して透過的に形成される。例えばこの内壁は多孔質セラミックス材料又は気体に対して透過的かつ液体に対しては非透過的なメンブレンから成る。

本発明の制御装置１は液圧導管３の中の液体フローのフロー速度の制御のために使用される。液圧導管３の内部の導管部分２は断面積狭さく箇所７を形成する乃至は含むので、最も大きいフロー速度の場所が定められる。まったくの液相の音波速度はこの場合制御装置１によって調整されうる最大フロー速度を定義する。

本発明は次のような認識に基づく。すなわち、二相混合物５の内部では音波速度が気相の質量割合への強い依存性を示し、この結果、比較的小さい気相の質量割合でも音波速度の明確な低下をもたらす。最小調整可能速度はこの場合制御装置１によって調整されうる最小フロー速度を定義する。

液体フローの所望のフロー速度を調整するために、制御装置１にはさらに制御部１３が装備されており、この制御部１３は相応の制御線路１４を介して発生装置４を作動させる。制御部１３はこの場合その都度所望されるフロー速度に依存して二相混合物５における気相の質量割合を変化させうるように構成されている。例えば気相の質量割合への二相混合物５の音波速度の依存性は特性曲線又は計算式の形式で制御部１３の記憶装置に格納されている。同様に閉ループ制御回路が設けられ、この閉ループ制御回路の制御量が気相の質量割合であり、この閉ループ制御回路の基準入力がフロー速度である。この場合、フロー速度の目標値実際値比較によって、フロー速度の低減のためにより多くの気体が液体の中へと取り入れられるべきか又はフロー速度の増大のために液相の中への気相の導入が抑えられるべきかがもとめられる。

図１の制御装置１の実施形態は次に１_Iによって示され次のように作動する：
制御装置１_Iは例えば予め定められたフロー速度の調整において使用されうる。このために制御部１３によって発生装置４が制御され、二相ゾーン６の中で二相混合物５が生じ、この二相混合物５の音波速度が所望の調整すべきフロー速度に相応する。液圧導管３において輸送される液体フローはこの場合調整されたフロー速度をもはや上回ることができない。なぜなら、二相混合物５におけるこのフロー速度は音波速度に相応し、この結果、この音波限界を超えるためには極めて高い衝撃抵抗をのりこえなければならないからである。

図１の実施形態では、二相混合物５は断面積狭さく箇所７において発生され、すなわち二相ゾーン６はこの断面積狭さく箇所７にある。このようにして制御装置１_Iは図１及び２において矢印によってシンボライズされて参照符号１５によって記されているフロー方向には依存せずに作動する。断面積狭さく箇所７では導管部分２の中の最も大きいフロー速度が支配しているので、そこではとりわけ簡単に二相混合物５によって音波速度が低下されうる。

制御装置１_Iは圧力脈動の減衰又は平滑化乃至は除去のためにも使用されうる。圧力パルスにおいては局所的に過剰に高いフロー速度が支配し、この局所的に過剰に高いフロー速度は二相混合物５が相応に調整される場合にはこの二相混合物５の音波速度を上回る。従って、到来する圧力波は二相ゾーン６を通過しない又はたんに強く減衰されて通過する。フロー速度の変動が許容されるまで及び比較的高い速度を有する圧力パルスだけが減衰されるまで、制御部１３を介してこの場合二相混合物５における気相の質量割合によって限界速度が調整される。

制御装置１_Iによって同時に液圧導管３内のフロー速度が制御される場合、各圧力パルスは二相混合物５の音波速度を上回る速度にあり、この結果、各圧力パルスは減衰乃至は除去されうる。圧力パルスの平滑化乃至は減衰又は除去は図１の制御装置１_Iの実施形態ではその都度のフロー方向に依存しない。なぜなら、二相ゾーン６が断面積狭さく箇所７に配置されているからである。

次に図２に図示された制御装置１の作動方法を詳しく説明し、この制御装置１をこのために１_IIと記す：
図１の制御装置１_Iと図２の制御装置１_IIとの本質的な差異は、二相ゾーン６と断面積狭さく箇所７の分離であり、他方で断面積狭さく箇所１７と比べて増大された二相ゾーン６の断面積である。この構成方法によって制御装置１_IIはフロー方向に依存して作動するのである。

例えば、制御部１３は二相混合物５における気相の所定の質量割合を調整する。これは液圧導管３の中の最大フロー速度を定義する所定の音波速度をもたらす。

図２に記入されたフロー方向１５（左から右へ）において二相混合物５は二相ゾーン６の中に存在し、さらにフローの引き込み作用のために液圧導管３の中でこの二相ゾーン６の下流にも存在する。図２に矢印１６によりシンボライズされた対向フロー方向（右から左へ）においてはフローの引き込み作用によって二相混合物５は二相ゾーン６から断面積狭さく箇所１７の中に達する。断面積狭さく箇所７では二相ゾーン６よりも明らかに高いフロー速度が支配するので、フローはそこで比較的急速に二相混合物５の音波速度に到達しうる。この結果、二相ゾーン６が断面積狭さく箇所７の下流に設けられている一方のフロー方向１５では、二相ゾーン６が断面積狭さく箇所７の上流に存在する対向フロー方向１６の場合よりも明らかに大きなフロー速度が導管部分２を通過しうる。制御装置１_IIが対向フロー方向１６において反射乃至は遮断するフロー速度を遮断速度と呼び、他方でフロー方向１５においてかろうじて通過可能なフロー速度を最大速度と呼ぶことができる。

なるほど図２の制御装置１_IIは原理的にフロー速度の調整のためにも利用されうるものであり、この場合両方のフロー方向１５、１６に対して異なるフロー速度が生じる。しかし、有利にはこのような制御装置１_IIは圧力パルスを一方のフロー方向１５において可能にし、対向フロー方向１６ではストップ乃至は反射するために使用される。このために、許容振幅までの圧力パルスは一方のフロー方向１５において二相ゾーン６の中で二相混合物５の音波速度を下回るフロー速度に達するように二相混合物５における気相の質量割合が調整される。対向フロー方向１６から到来する圧力パルスは二相混合物５の引き込みで断面積狭さく箇所７の中にも導かれる。断面積狭さく箇所７における明らかに高められたフロー速度によってそこで二相混合物５の音波速度に急速に到達し、この結果、この圧力パルスはストップ乃至は反射される。この場合、対向フロー方向１６において到来する圧力パルスの振幅は、フロー方向１５において到来しいわば障害なしで導管部分２を通過しうる圧力パルスの振幅よりも小さい。

図３は例示的に本発明の制御装置１乃至は１_I及び１_IIの可能な適用事例を示す。図３によれば燃料噴射システム１７は燃料ポンプ１８を含み、この燃料ポンプ１８は供給導管１９を介して高圧導管２０に燃料を供給する。高圧導管２０から個々の分岐導管２１が燃料インジェクタ２２に接続し、これらの燃料インジェクタ２２はそれぞれここには図示されていない内燃機関のシリンダに割り当てられている。全てのインジェクタ２２は同一の高圧導管２０に接続されているので、これはいわゆる「コモンレールシステム」である。

このような「コモンレールシステム」では共通の高圧導管２０を介して個々のインジェクタ２２の間の相互作用が生じる。例えば、インジェクタ２２の開及びとりわけ閉が圧力波を引き起こし、この圧力波が分岐導管２１を介して高圧導管２０へと伝播し、他の分岐導管２１を介して他のインジェクタ２２に達する。個々のインジェクタ２２は内燃機関の異なるシリンダに割り当てられているので、その限りではこれらは互いに依存せずに、いずれにせよ同時には作動しない。従って、上記の圧力パルスはインジェクタ２２における望ましくない圧力変動をもたらし、この望ましくない圧力変動は例えば噴射量及び／又は噴射圧に関して噴射過程の精度に不利に作用する。さらに、燃料ポンプ１８も、とりわけ圧力制御バルブ２３と協働して圧力パルスを発生しうる。この圧力パルスは供給導管１９を介して高圧導管２０にまで伝播し、これを介して個々のインジェクタ２２に達する。

本発明の制御装置１によって、このような「コモンレールシステム」内で脈動のないシステム領域を形成することが可能であり、この脈動のないシステム領域は図３では破線により図示された枠によってシンボライズされ、参照符号２４が付けられている。このために供給導管１９の中で圧力制御バルブ２３の接続地点の下流に図１に示された実施形態による制御装置１_Iが使用される。上述のように、この制御装置１_Iは、圧力パルスを高圧導管２０まで通過させない又は少なくとも強く減衰して通過させるように動作する。さらに、分岐導管２１の中にそれぞれ制御装置１_IIが図２に示された実施形態に相応して配置される。これらは、上述のように、圧力パルスを高圧導管２０からそれぞれのインジェクタ２２へと通過させるが、対向フロー方向の圧力パルスを実質的に遮断又は反射するように動作される。このようにして、高圧導管２０を介する個々のインジェクタ２２の間の相互作用が実質的に排除される。パルス状の圧力変動が供給導管９を介して高圧導管２０に作用することも同様にほとんどありえない。

ここで記述された本発明の制御装置１の特別な適用事例の他に、任意の他の適用領域が可能であり、例えば自動車のパワーアシスト付きステアリングシステムにおいて可能である。このようなパワーアシスト付きステアリングシステムではノイズの理由から通常は伸張ホース（Dehnschlauch）又は相応の脈動減衰器が使用される。圧力脈動減衰及び／又は反射のためにはこの場合本発明の制御装置１が使用でき、この結果、例えばこのような伸張ホース乃至はこのような脈動減衰器と置き換わる。別の適用事例は例えば自動車のブレーキシステムにも見て取れる。この場合も望ましくない圧力脈動が生じ、この圧力脈動が本発明の制御装置１によって減衰乃至は除去されうる。

半分の長さ部分において本発明の装置の簡略化された原理図を示す。 図１のような、しかし他の実施形態における平面図を示す。 本発明の装置の有利な実施形態の原理的な回路図を示す。

符号の説明

１ 制御装置
１_I 図１の制御装置
１_II 図２の制御装置
２ 導管部分
３ 液圧導管
４ 発生装置
５ 二相混合物
６ 二相ゾーン
７ 断面積狭さく箇所
８ バイパススペース
９ バイパス
１０ 加熱装置
１１ 気相
１２ 気体に対して透過的な内壁
１３ 制御部
１４ 制御線路
１５ フロー方向
１６ 対向フロー方向
１７ 燃料噴射システム
１８ 燃料ポンプ
１９ 供給導管
２０ 高圧導管
２１ 分岐導管
２２ インジェクタ
２３ 圧力制御バルブ
２４ 脈動のないシステム領域

Claims (14)

1. 液圧導管（３）の中の液体フローのフロー速度を制御するための装置において、
   液体によって貫流される導管部分（２）を有し、該導管部分（２）における液体の中に均一な二相混合物（５）を発生するための装置（４）を有する、液圧導管（３）の中の液体フローのフロー速度を制御するための装置。
2. 制御部（１３）がもうけられており、該制御部（１３）は導管部分（２）の中のその都度所望のフロー速度を二相混合物（５）の中の気相の質量割合を変化させることによって調整するように構成されていることを特徴とする、請求項１記載の制御装置。
3. 液圧導管（３）内の導管部分（２）は所定の断面積狭さく箇所（７）を形成し及び／又はこのような断面積狭さく箇所（７）を有することを特徴とする、請求項１又は２記載の制御装置。
4. 発生装置（４）は二相混合物（５）を断面積狭さく箇所（７）の領域において発生することを特徴とする、請求項３記載の制御装置。
5. 導管部分（２）は断面積狭さく箇所（７）に隣接して拡張された断面積を有する二相ゾーン（６）を有し、
   発生装置（４）は二相混合物（５）を二相ゾーン（６）の領域において発生することを特徴とする、請求項３記載の制御装置。
6. 二相ゾーン（６）が断面積狭さく箇所（７）の下流に配置されているフロー方向（１５）において液体フローが導管部分（２）を予め設定された又は調整可能な最大速度までは実質的に障害なしで貫流することでき、さらに二相ゾーン（６）が断面積狭さく箇所（７）の上流に配置されている対向フロー方向（１６）において液体フローが導管部分（２）を予め設定された又は調整可能な遮断速度までは実質的に障害なしで貫流することができるように、二相ゾーン（５）と断面積狭さく箇所（７）とは相互に調整され、二相混合物（５）の中の気相の質量割合は調整され、前記遮断速度は前記最大速度よりも小さいことを特徴とする、請求項５記載の制御装置。
7. 発生装置（４）は気相（１１）を気体に対して透過的な、とりわけ孔のあけられた又は多孔質の導管部分（２）の内壁（１２）を貫いて液体の中に取り入れられることを特徴とする、請求項１〜６のうちの１項記載の制御装置。
8. 発生装置（４）は気相（１１）を液体フローから分岐した部分流から発生することを特徴とする、請求項１〜７のうちの１項記載の制御装置。
9. 発生装置（４）は気相（１１）を抵抗器加熱及び／又はマイクロ波及び／又は超音波を用いて発生することを特徴とする、請求項８記載の制御装置。
10. 液圧導管（３）の中の液体フローのフロー速度の制御のための方法において、
    液体によって貫流される導管部分（２）における液体の中に均一な二相混合物（５）が発生される、液圧導管（３）の中の液体フローのフロー速度の制御のための方法。
11. 導管部分（２）におけるその都度のフロー速度は二相混合物（５）の中の気相の質量割合の変化によって調整されることを特徴とする、請求項１０記載の制御方法。
12. 二相混合物（５）は、導管部分（２）が有する又は液圧導管（３）の中の導管部分（２）が形成する断面積狭さく箇所（７）の領域において発生されることを特徴とする、請求項１０又は１１記載の制御方法。
13. 二相混合物（５）は二相ゾーン（６）の領域において発生され、前記二相ゾーン（６）は導管部分（２）の中で断面積狭さく箇所（７）に隣接して配置されており、断面積狭さく箇所（７）は導管部分（２）の中に形成されるか又は液圧導管（３）の内部に導管部分（２）によって形成されることを特徴とする、請求項１０又は１１記載の制御方法。
14. 自動車用燃料噴射システム（１７）における及び／又は
    自動車用パワーアシスト付きステアリングシステムにおける及び／又は
    自動車用ブレーキシステムにおける及び／又は
    圧力脈動の平滑化のための及び／又は
    圧力脈動の方向に依存した反射のための請求項１〜９のうちの１項記載の制御装置（１）の使用。

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