JP2017096496A - 制御弁および空気始動システム - Google Patents

Abstract

【課題】加圧空気源、空気スターター、および制御弁を有するエンジン用の制御弁および空気始動システムを提供すること。
【解決手段】加圧空気源、空気スターター、および制御弁を有するエンジン用の制御弁および空気始動システム。制御弁は、加圧空気源に流体結合される入口ポートと空気スターターに流体結合される出口ポートとを有する流路を画定するハウジングと、入口ポートおよび出口ポートのうちの一方を選択的に開閉して制御弁の対応する開閉をもたらすために開位置と閉位置との間で移動できる弁体と、弁体を開位置と閉位置との間で移動させるために弁体に作用可能に結合されるリニアモータとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、制御弁および空気始動システムに関する。

内燃エンジンなどのレシプロエンジンは、圧力を回転運動へ変換するために１つまたは複数の往復動ピストンを使用するヒートエンジンである。典型的な例において、ピストンは、密閉可能なピストンチャンバ内または圧力チャンバ内に収容され、その基部で回転可能シャフトに取り付けられる。ピストンがピストンチャンバに沿って摺動するにつれて、回転可能シャフトが回転され、逆もまた同様である。

エンジンの回転を始めるために空気タービンスターター（ＡＴＳ）を使用できる。ＡＴＳは、しばしば、エンジンの近傍に装着されるとともに、ＡＴＳ内のタービンホイールに作用してタービンホイールを比較的高速で回転させる圧縮空気などの高圧流体源に結合され得る。ＡＴＳは、タービンホイールに結合されるとともにおそらく１つまたは複数のギアを介してエンジンに結合される出力シャフトを含む。したがって、出力シャフトはタービンホイールと共に回転する。この回転は、ひいては、エンジンを回転させ始める。

ＡＴＳへの圧縮空気の流れは、例えば弁によって制御され得る。この弁は、一般に、スターター空気弁または制御弁と称される。スターター空気弁が開くと、圧縮空気がスターター空気弁を通じてＡＴＳ内へと流れることができる。逆に、スターター弁が閉じられると、ＡＴＳへの圧縮空気の流れを妨げることができる。スターター空気弁は、多くの場合、弁をその開位置へ移動させるために空気圧アクチュエータを含む。アクチュエータに対する空気圧動力源は、例えば補助動力ユニット（ＡＰＵ：ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｐｏｗｅｒ ｕｎｉｔ）から供給される加圧空気、他のエンジンコンプレッサからのブリード空気等であり得る。

米国特許第７０６６７１０号公報

１つの態様において、本発明の一実施形態は、加圧空気源と、空気スターターと、制御弁であって、加圧空気源に流体結合される入口ポートと空気スターターに流体結合される出口ポートとを有する流路を画定するハウジングと、入口ポートおよび出口ポートのうちの一方を選択的に開閉して制御弁の対応する開閉をもたらすために開位置と閉位置との間で移動できる弁体と、弁体を開位置と閉位置との間で移動させるために弁体に作用可能に結合されるリニアモータとを備える、制御弁とを備え、流路は、少なくとも９００ｓｃｆｍの流量を許容するように寸法付けられ、リニアモータは、弁体を３０ｍｓ以下の応答時間で閉位置と開位置との間において移動させる、エンジン用の空気始動システムに関する。

別の態様において、本発明の一実施形態は、内部を画定するハウジングであって、ハウジングに入口ポートおよび出口ポートが形成され、入口ポートから出口ポートへと内部を貫いて流路が画定される、ハウジングと、ヘッドと、ヘッドから延びるシャフトとを有し、入口ポートおよび出口ポートのうちの少なくとも一方を開閉するために開位置と閉位置との間で往復移動可能なピストンと、ピストンを閉位置へと促すためにピストンに付勢力を印加する付勢要素と、シャフトに装着される永久磁石と、シャフトを囲む電磁コイルとを含むリニアモータとを含み、電気が電磁コイルに通電されると、電磁コイルは、付勢力に打ち勝つのに十分な力をシャフトに印加するべく、永久磁石と相互作用する磁場を発生させ、閉位置から開位置へのピストンの移動を引き起こす、制御弁に関する。

本発明の一実施形態に係る空気始動システムを利用できるクランクシャフトを有する燃焼エンジンの概略図である。 図１のエンジンなどの燃焼エンジン内のピストン概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る、図１および図２のエンジンのクランクシャフトと回転可能に結合される空気始動アセンブリの概略図である。 閉位置で示される、図３の空気始動システムと共に利用され得る制御弁の概略断面図である。 開位置で示される、図４の制御弁の概略断面図である。

高流量を受け入れることができる現代のスターター空気弁は、あまり応答性が良くない。高流量は、一般に、９００ｓｃｆｍから１７００ｓｃｆｍを超える範囲の流量を含む。例えば、１７００ｓｃｆｍの流量を受け入れることができる弁は、完全に開放するために１秒を超える時間を要する。１秒を超える応答時間は、遅い応答時間と見なされる。逆に、応答性が非常に良い弁は、高流量を受け入れることができない。例えば、１００ｍｓ未満で開放できて速い応答時間と見なされる弁は、３００ｓｃｆｍ程度の流量しか受け入れることができず、３００ｓｃｆｍ以下の流量は低流量と見なされる。

既存の応答が遅い弁を用いて高流量を受け入れるために、一般的な技法は、弁が開かれまたは閉じられる必要がある時期より前に弁の開放プロセスまたは閉鎖プロセスを開始することである。これは５秒早めに行なわれ得る。これは、リアルタイムシステム事象への応答ではなく、システムが何を行なおうとしているのかについての見込みまたは予測を必要とし、また、特に状態が急速に変化している過渡的なシステムにおいてはリスクを伴うアプローチを与える。本発明の実施形態は、現在知られている弁アセンブリと比べて改善された弁開放特性をもたらす制御弁アセンブリおよび空気始動システムを提供する。

本発明の実施形態は、レシプロエンジンが駆動力を与えるかどうか、または別の目的のため、例えば電気を発生させるために使用されるかどうかにかかわらず、レシプロエンジンを使用する環境を含むがこれに限定されない任意の適した環境で実装され得る。この説明の目的のため、そのようなレシプロエンジンは、一般に、燃焼エンジンと称され、または、同様の用語で言及される。そのような燃焼エンジンは、ガソリン、天然ガス、メタン、または、ディーゼル燃料によって燃料供給され得る。したがって、燃焼エンジンの予備的な理解が与えられる。

図１は、クランクシャフト１２などの回転シャフトと、エンジンブロック１６内に位置する少なくとも１つのピストン１４とを有する燃焼エンジン１０などのレシプロエンジンの概略図を示す。スプラインギア２１と１つまたは複数の内歯車またはギアトレイン２３とを有するギアボックス１９が含まれ得るとともに、このギアボックス１９はクランクシャフト１２と作用可能に結合される。図２により良く示されるように、エンジンブロック１６の対応する部分内に位置するピストン１４は、ピストンシャフト１７と回転可能に結合されるピストンヘッド１５を含むことができ、ピストンヘッドはピストンチャンバ１８（図２）内で摺動可能である。ピストンシャフト１７は、クランクシャフトの回転軸から径方向にオフセットされるクランクシャフト１２上のピンに回転可能に結合され、それにより、クランクシャフト１２の回転がピストンチャンバ１８内でピストンヘッド１５の往復動を引き起こす。

図２には１つのピストン１４のみが示されるが、燃焼エンジン１０は、一般に、対応するピストンチャンバ１８内に収容される複数のピストン１４を有し、各ピストン１４がクランクシャフト１２上の異なるピンに装着されるとともに、ピンがクランクシャフト１２の回転軸の周りで径方向に離間される。ピストン１４は１つまたは複数の直線状の列を成して配置され、この場合、１列の一直線に合わせられるピストン１４のみを有するエンジンが直列型配列と称される。複数列のピストン１４を伴うエンジン１０は、形成する列間に角度間隔を有することができる。ピストン１４がクランクシャフト１２の周りで径方向に離間されてもよく、これは、しばしば径方向配列と称される。

ピストンチャンバ１８内へのまたはピストンチャンバ１８からのピストン１４の移動は、以下、「行程」または「ピストン行程」として表現される。本開示は、ピストン１４がクランクシャフト１２から離れてピストンチャンバ１８内へと更に移動される「上行」行程、および、ピストン１４がクランクシャフト１２へ向けてピストンチャンバ１８から除去される「下行」行程の説明を含み得るが、本発明の実施形態は、垂直行程または傾斜行程を有する燃焼エンジン１０を含んでもよい。したがって、「上行」および「下行」なる表現は、本発明の実施形態についての非限定的で相対的な用語である。

図示のように、燃焼エンジン１０は、密閉可能な吸気通路２２と密閉可能な排気通路２４とを有するエンジンヘッド部２０を更に含むことができる。通路２２，２４は、それぞれの吸気弁２６および排気弁２８によってピストンチャンバ１８と流体結合されるとともにピストンチャンバ１８から密閉可能である。ピストンヘッド１５、エンジンブロック１６、ヘッド部２０、吸気弁２６、および、排気弁２８は、密閉可能な圧縮チャンバ３０を共同して画定することができる。

ヘッド部２０は、ディーゼル燃料などの燃料を燃焼のために圧縮チャンバ３０へ注入するための燃料噴射ノズル３２を更に含むことができる。ディーゼル燃料を注入するための燃料噴射ノズル３２が示されるが、本発明の別の実施形態は、ガソリンエンジンまたは天然ガスエンジンの例では燃焼エンジン１０用の空気／燃料混合物または空気／ガス混合物に点火するための点火プラグに随意的に置き換えられる燃料噴射ノズル３２を含むことができる。

１つの例において、燃焼エンジン１０の燃焼サイクルは、４つのピストン行程、すなわち、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、および、排気行程を含むことができる。前述の説明は、ピストン１４がピストンチャンバ１８内へと上向きに完全に伸長される一般に「上死点」すなわちＴＤＣと称される状態でエンジン１０の燃焼サイクルが始まることを想定する。吸気行程中、クランクシャフトの回転（時計回りの矢印３４により示される）が下行吸気行程でピストン１４を圧縮チャンバ３０から（矢印３８の方向で）引き出し、圧縮チャンバ３０内に真空を作り出す。真空は、吸気行程と対応するようにタイミングがとられる吸気弁２６の開放（破線４０で示される）に起因して密閉が解かれる密閉可能な吸気通路２２から空気を引き込む。

ピストン１４がその吸気行程の最下点（破線３６で示される）に達すると、吸気弁２６が密閉され、ピストンが上行圧縮行程を始める。圧縮行程は、ピストン１４を圧力チャンバ３０内へ滑り込ませて空気を圧縮する。圧縮行程４２のＴＤＣ位置で、燃料噴射ノズル３２が圧縮チャンバ３０内へディーゼル燃料を注入することができる。或いは、吸気行程の前に可燃性燃料が吸入空気に加えられてもよく、または、圧縮行程４２中に燃料を圧縮チャンバ３０に加えることができる。

燃焼は、（例えば、ディーゼルエンジンでは）圧縮された空気／燃料混合物の高熱および高圧に起因して、または代わりに、圧縮チャンバ３０内で（例えば、ガソリンエンジンまたは天然ガスエンジンでは）点火プラグにより発生される火花などの外部点火に起因して、圧縮チャンバ内で行なわれ得る。燃焼行程中、空気／燃料混合物の爆発が圧縮ガス中に熱を発生させ、また、それに伴う爆発および膨張ガスの拡大が、下行行程にあるピストンを圧縮チャンバ３０から離れるように推し進める。下行行程は、クランクシャフト１２の回転３４を機械的に推し進める。

燃焼後、排気行程と対応するように排気弁２８の密閉が解除されるとともに、ピストンが圧縮チャンバ３０内へと上向きに駆動されて、燃焼されたガスまたは排気ガスを圧縮チャンバ３０から押し出す。ピストン１４がピストンチャンバ１８内のＴＤＣ位置に戻ると、エンジン１０の燃焼サイクルを繰り返すことができる。

典型的な燃焼エンジン１０は一組のピストン１４およびピストンチャンバ１８を有することができるが、ここでは簡単のために単一のピストン１４が図示されて説明される。本明細書中で使用される場合、「一組」は１つのみを含めて任意の数を含むことができると理解されよう。複数のピストン１４を有する燃焼エンジン１０において、ピストン１４は、クランクシャフト１２に沿ってピストン１４の行程を交互にずらすように構成することができ、それにより、クランクシャフト１２を回転させるため、したがって更なる燃焼サイクル行程にわたってピストン１４を駆動させるために、１つまたは複数のピストン１４が駆動力を連続的に与えることができる。クランクシャフト１２の回転により発生される機械的な力は、発電機、車輪、または、プロペラなどの別の構成要素を駆動させるべく更に伝送され得る。

図３は、燃焼エンジン用などの空気始動システム４４の典型的な概略形態を示す。空気始動システム４４は、制御弁５６を介して圧力源５４と流体結合される空気スターター５２と、コントローラ５８またはプロセッサとを含むことができる。

空気スターター５２は、本体部７０と、クランクシャフト１２に作用可能に結合されるギアボックス１９のスプラインギア２１と噛み合うようにキー止めされる一組の歯７４を有するギアとして示されるスターター出力７２とを更に含むように示される。これは一般にガスタービンエンジンにおけるスターターのための配置であることに留意されたい。レシプロエンジンにおけるスターターに関して、スターター駆動シャフト上の外平歯車は、エンジンにおける大きな外平歯車またはリングギアを駆動させることができ、また、そのようなリングギアをエンジン駆動シャフトに結合することができる。

スターターセンサ６４を含めることもでき、また、空気スターター５２の特性、例えば、スターター出力７２の回転速度、スターター５２により発生されるトルク等を検知または測定するようにスターターセンサ６４を構成することもできる。センサ６４は、スターター特性を表わすアナログ信号またはデジタル信号を更に生成することができ、また、生成される信号をコントローラ５８へ与えてもよい。スターター５２がエンジン１０に対して例えば機械的にまたは取り外し可能に装着される本発明の実施形態が想定される。或いは、スターター５２は、スターター５２のスターター出力７２の部分を制御可能に伸縮することができ、それにより、始動動作中にのみ歯７４を噛み合わせまたは離脱させることができる。更なる形態が想定される。

コントローラ５８はメモリ７８を更に含むことができ、メモリ７８は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、または、１つ若しくは複数の異なるタイプの携帯型電子メモリ、例えばディスク、ＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ等、または、これらのタイプのメモリの任意の適した組み合わせを含むが、これらに限定されない。コントローラ５８は、制御弁５６および空気スターター５２の動作を制御するための実行可能な命令セットを有するコンピュータプログラムの全部または一部をコントローラ５８およびメモリ７８のうちの一方が含むことができるようにメモリ７８と作用可能に結合され得る。プログラムは、コンピュータプログラムプロダクトを含むことができ、コンピュータプログラムプロダクトは、機械実行可能命令またはデータ構造を担持するための、またはこれらが記憶された機械可読媒体を含むことができる。そのような機械可読媒体は、汎用コンピュータまたは専用コンピュータまたはプロセッサを有する他の機械によってアクセスされ得る任意の利用可能な媒体であってよい。一般に、そのようなコンピュータプログラムは、特定のタスクを実行するという技術的効果を有し、または特定の抽象データ型を実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造、アルゴリズム等を含むことができる。機械実行可能命令、関連するデータ構造、および、プログラムは、本明細書中に開示される情報のやりとりを実行するためのプログラムコードの例を表わす。機械実行可能命令は、例えば、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、コントローラ５８、または専用処理機械に特定の機能または一群の機能を行なわせる命令およびデータを含むことができる。

制御弁５６は、加圧空気源５４に流体結合される入口ポート８４と空気スターター５２に流体結合される出口ポート８６とを有する流路８２を画定するハウジング８０を含むように示されている。流路は、少なくとも９００ｓｃｆｍの流量を許容するように流路８２を寸法付けることができることを含むがこれに限定されないシステムに適した任意の態様で寸法付けられ得る。少なくとも１７００ｓｃｆｍにまで至る流量を受け入れるように流路８２を寸法付けることができると考えられる。入口ポート８４を選択的に開閉して制御弁５６の対応する開閉をもたらすために開位置９０と閉位置９２（仮想線で示される）との間で移動できる弁体８８も含まれる。弁体８８は入口ポート８４を選択的に開閉するように示されるが、弁体８８が出口ポート８６または流路８２の別の部分を二者択一的に選択的に開閉できることが理解されよう。

弁体８８を開位置と閉位置との間で移動させるためにリニアモータ９４が弁体８８に対して作用可能に結合され得る。リニアモータ９４は、コントローラ５８により供給される制御信号に応じて弁体８８を移動させることができる。更に、リニアモータ９４は、３０ｍｓ以下の応答時間で弁体８８を閉位置と開位置との間で移動させるように構成され得る。更なる非限定的な例として、リニアモータ９４が弁体８８を前記位置間において２５ｍｓ以下で移動させることができると考えられる。リニアモータ９４は、典型的なソレノイドモータと比べて大きい移動距離を有し、これにより、リニアモータ９４は、弁体８８を開位置と閉位置との間で完全に移動させることができる。更に、動作中、加圧空気の押圧力と組み合わされるリニアモータ９４により発生される引張力は、所望の応答時間内で弁体８８を入口ポート８４から離れるように移動させる。

動作中、空気スターター５２および制御弁５６は、与えられる空気圧の供給に応じて、スターター出力７２でトルクなどの力を発生させるように作用する。空気スターター５２により発生されるトルクは、圧縮チャンバ３０の内容物を圧縮させるための圧縮行程４２により使用される圧縮力を発生させるために（スプラインギア２１、ギアトレイン２３、および、クランクシャフト１２を介して）印加される。非限定的な例として、燃焼エンジン１０を遅く始動させるために空気始動システム４４を利用することができ、この場合、燃焼エンジン１０の遅い始動は、圧縮チャンバ３０が水などの非圧縮性流体を含む場合にエンジン１０への損傷を防止する。本明細書中で使用される場合、「遅い始動」は、動作エンジン速度または自給運転エンジン速度を下回る速度、例えばアイドリング速度でクランクシャフト１２を回転させることを表現するために使用される。方法の低速動作または「低速回転」動作により、何らかの内部損傷がエンジン１０に起こり得る前に、適切なエンジン動作に関する問題または懸案事項を特定することができる。制御弁５６によって空気スターター５２へ供給される空気は、適正な低速回転性能のために必要な低速動作に起因して不連続となり得る。例えば、コントローラ５８は、クランクシャフトを予測速度または目標速度で移動させ続けるように供給空気のバーストを供給するべく制御弁５６を制御できる。

図４は、前述したような空気始動システム４４で利用され得る本発明の一実施形態に係る典型的な制御弁１５６を示す。制御弁１５６の実施形態は、制御弁５６の実施形態と同様である。したがって、同様の部分は、１００だけ増大された同様の数字を用いて特定され、この場合、別段言及されなければ、制御弁５６の同様の部分の説明が制御弁１５６に当てはまることが理解される。

先の実施形態と同様に、制御弁１５６はハウジング１８０を有し、この場合、ハウジング１８０には入口ポート１８４と出口ポート１８６とが形成される。流路１８２（図５）が入口ポート１８４から出口ポート１８６へとハウジングの内部１９８を貫いて画定される。

１つの違いは、ヘッド２０２を有するポペットまたはピストン２００とヘッド２０２から延びるシャフト２０４とを含むように弁体１８８が示されるということである。ピストン２００は、入口ポート１８４を開閉するために開位置と閉位置との間で往復移動可能である。或いは、弁体１８８は、ピストン２００が出口ポート１８６を開閉するために開位置と閉位置との間で往復移動可能であるように設計され得る。

ピストン２００は、ヘッド２０２が凹部２１０への開口２０８を画定する下端２０６を含むことができることを含むがこれに限定されない任意の適した態様で設計され得る。更に、Ｏリング２１１の形態を成すシールがヘッド２０２に作用可能に結合されているように示される。ヘッド２０２が閉位置にあるとき、Ｏリング２１１は、ハウジング１８０に当接して入口ポート１８４を密閉するのに役立つ。

他の違いは、リニアモータ１９４がハウジング２１２を含むように示されることである。リニアモータ１９４のハウジング２１２は、任意の適した態様で形成され得るとともに、制御弁１５６のハウジング１８０に固定され得る。更に、図示のように、リニアモータ１９４は、ピストン２００のシャフト２０４に装着される永久磁石２１４と電磁コイル２１６とを含むことができる。永久磁石２１４はリニアモータ１９４のハウジング２１２内に存在し、また、シャフト２０４の少なくとも一部がリニアモータ１９４のハウジング２１２内へと延びる。

図示のように、電磁コイル２１６は、ハウジング２１２内に含まれ得るとともに、シャフト２０４を囲む。リニアモータ１９４のハウジング２１２の少なくとも一部は、ヘッド２０２の凹部２１０内に設けられ得る。このようにすると、電磁コイル２１６の少なくとも一部がヘッド２０２内に位置し得る。電磁コイル２１６が内部２１８を画定し、また、シャフト２０４は、永久磁石２１４が内部２１８を通じて往復動し得るように内部２１８を貫通して延びる。このようにすると、リニアモータ１９４およびその構成要素を弁体１８８内に組み込むまたは配置することができ、これがコンパクトな制御弁１５６をもたらす。

更に、制御弁１５６内には付勢要素２２０が含まれ、この付勢要素２２０は、ピストン２００を閉位置（図４）へと促すために付勢力をピストン２００に印加する。任意の適した付勢要素２２０は、図示のように圧縮スプリングまたはコイルスプリング２２２を含めて利用され得るが、これに限らない。コイルスプリング２２２は、ピストン２００のヘッド２０２に当接する一端２２４を有する。図示の例において、コイルスプリング２２２は、リニアモータ１９４のハウジング２１２と電磁コイル２１６の少なくとも一部とを囲むが、これが当てはまる必要はない。

シャフト２０４の移動を容易にするために制御弁１５６内にベアリングを含めることができる。例えば、第１のベアリング２３０がリニアモータ１９４のハウジング２１２に装着されてシャフト２０４を囲むように示される。第２のベアリング２３２が、ハウジング１８０に装着され得るとともに、シャフト２０４を囲むことができる。より具体的には、ベアリング２３２は、フランジ２３３内に装着されるように示される。任意の数の更なる適したシールまたはフランジを弁１５６内に含めることができることが理解されよう。第１および第２のベアリング２３０，２３２はいずれも、ヘッド２０２が開位置と閉位置との間で移動されるときにシャフト２０４の直線移動を可能にする。更にまた、制御弁１５６の一部を加圧空気からシールするために様々なシール２３４を利用できる。

電気が電磁コイル２１６に通電されると、電磁コイルは、付勢要素２２０の付勢力に打ち勝つのに十分な力をシャフト２０４に印加するべく、永久磁石２１４の磁場と相互作用する磁場を発生させる。より具体的には、電気が電磁コイル２１６に通電されると、電磁コイルは、永久磁石２１４を移動させる磁場を発生させ、ピストン２００の対応する移動を引き起こし、その結果、ヘッド２０２が閉位置（図４）から図５に示されるような開位置へと移動する。これにより、加圧空気は、入口ポート１８４から流路１８２を通じて出口ポート１８４へ流れることができる。リニアモータ１９４は、３０ｍｓ以下の応答時間でヘッド２０２を閉位置と開位置との間で移動させる。

圧力源５４の動作中、加圧空気が入口ポート１８４で受けられる。空気の力は、弁体１８８に作用し、それにより、弁体１８８を入口ポート１８４から離そうとして弁体１８８を押圧し、制御弁１５６を開放する。コイルスプリング２２２およびリニアモータ１９４は、加圧空気の空気圧力に抗して制御弁１５６を閉状態に保つ力を生み出す。より具体的には、リニアモータ１９４からの対抗力がない限り、コイルスプリング２２２が弁体１８８を閉状態に促す。更に、特定の極性を有する電圧が電磁コイル２１６に印加されると、電磁コイル２１６により生み出される磁場は、永久磁石２１４の磁場と相互作用して、ピストン２００を入口ポート１８４の方へ駆動させる力を生み出す。弁体１８８におけるＯリング２１１は弁ハウジング１８０に当て付いてシールし、また、弁体１８８は、閉じて、空気が入口ポート１８４に入ることを防止する。

制御弁１５６が開放されるべきときには、リニアモータ１９４に作用する電圧極性が逆にされる。電流が電磁コイル２１６を通じて反対方向に流れることにより、弁体１８８を入口ポート１８４から引き離すように作用する力が生み出される。リニアモータ１９４により生み出される引張力は、加圧空気の押圧力と組み合わされて、弁体１８８を入口ポート１８４から離れるように移動させ、それにより、空気が入口ポート１８４に入って出口ポート１８６を通じて出ることができる。

逆に、制御弁１５６が再び閉じる必要があるときには、リニアモータ１９４に作用する電圧極性が再び逆にされて、リニアモータ１９４の力およびコイルスプリング２２２の力が弁体１８８を入口ポート１８４へ向けて押し戻すように作用し、それにより、入口ポート１８４が加圧空気に対して密閉されて、制御弁１５６が再び閉じられる。リニアモータ１９４の電圧極性を周期的に変化させることにより、制御弁１５６を素早く開閉して、制御弁１５６を通じた空気の流れを迅速に調節できる。

前述した実施形態は、高速応答空気圧弁が、約３０ｍｓで完全に開放できること、５０ｐｓｉｇ程度の高さの入口圧を調節できること、１５０ｐｓｉｇ程度の高さの入口圧で開放できること、および、少なくとも１７００ｓｃｆｍ程度の高さの流量を受け入れることができることを含む様々な利点をもたらす。前述の実施形態は、電気的に作動され得るとともに、比較的短い期間で高い空気流量を導入する必要があるシステムで利用され得る。更に、前述の実施形態は、比較的短い期間で高い空気流量を遮断する必要があるシステムで利用され得る。更に、前述の実施形態のサイズおよび重量は、現代の解決策よりも小さく、軽く、信頼でき、かつ、コストが低く、また、前述の実施形態は、内部フィードバックに依存せず、基本的なＯＮ／ＯＦＦ機能性を与える。

更にまた、前述の実施形態は、リアルタイムの応答およびライブフィードバックを与え、したがって、閉ループフィードバックに依存するシステムで利用され得る。より具体的には、信号が前述の実施形態に対して与えられると、出力応答は、空気流量ｓｃｆｍに関して、３０ｍｓ以下の範囲内で行なわれるように目標付けられる。入力信号と出力応答との間のそのような最小の遅れは、比較的高い流量を利用してライブフィードバックへのリアルタイムの応答を必要とする空気圧システムにとって重要である。例えば、最小の遅れは、低速回転始動中において重要である。これは、スターターシステムがさもなければ時間内に遮断しないからであり、また、例えばシリンダヘッド内に水が存在するときなど、問題が存在する場合に、ピストンが往復動し続けるにつれてエンジンが損傷される可能性があるからである。

未だ説明されない範囲まで、様々な実施形態の異なる特徴および構造が望み通りに互いと組み合わせて使用され得る。１つの特徴が実施形態の全てにおいて示されない場合があることは、それが実施形態の全てにおいて示され得ないと解釈されるように意図されておらず、説明を省略するために行なわれる。したがって、異なる実施形態の様々な特徴は、新たな実施形態が明示的に記載されるか否かにかかわらず、新たな実施形態を形成するべく望み通りに混ぜ合わされて適合されてもよい。本明細書中に記載される特徴の全ての組み合わせまたは置換は、この開示によって網羅される。

この明細書は、実施例を使用して、最良の態様を含む発明を開示するとともに、任意の装置またはシステムを作製して使用すること、および、任意の組み入れられた方法を実行することを含めて、任意の当業者が本発明を実施できるようにする。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想起する他の実施例を含み得る。そのような他の実施例は、それらが特許請求項の文言とは異ならない構造的要素を有する場合には、または、それらが特許請求項の文言と実質的に異ならない均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲内に存在するべく意図される。

１０ 燃焼エンジン
１２ クランクシャフト
１４ ピストン
１５ ピストン
１６ エンジンブロック
１７ ピストンシャフト
１８ ピストンチャンバ
１９ ギアボックス
２０ エンジンヘッド部
２１ スプラインギア
２２ 吸気通路
２３ ギアトレイン
２４ 排気通路
２６ 吸気弁
２８ 排気弁
３０ 圧縮チャンバ
３２ 燃焼噴射ノズル
３４ クランクシャフト回転
３６ 吸気行程
３８ 矢印
４０ 開放吸気弁
４２ 圧縮行程
４４ 空気始動システム
５２ 空気スターター
５４ 圧力源
５６ 制御弁
５８ コントローラ
６４ スターターセンサ
６６ 歯
７０ 本体部
７２ スターター出力
７４ 歯の第２の組
７８ メモリ
８０ ハウジング
８２ 流路
８４ 入口ポート
８６ 出口ポート
８８ 弁体
９０ 開位置
９２ 閉位置
９４ リニアモータ
１５６ 制御弁
１８０ ハウジング
１８２ 流路
１８４ 入口ポート
１８６ 出口ポート
１８８ 弁体
１９４ リニアモータ
１９８ 内部
２００ ピストン
２０２ ヘッド
２０４ シャフト
２０６ 下端
２０８ 開口
２１０ 凹部
２１１ Ｏリング
２１２ ハウジング
２１４ 永久磁石
２１６ 電磁コイル
２１８ 内部
２２０ 付勢装置
２２２ コイルスプリング
２２４ 一端
２３０ 第１のベアリング
２３２ 第２のベアリング
２３４ シール

Claims (20)

1. 内部（１９８）を画定するハウジング（１８０）であって、前記ハウジング（１８０）に入口ポート（１８４）および出口ポート（１８６）が形成され、前記入口ポート（１８４）から前記出口ポート（１８６）へと前記内部（１９８）を貫いて流路（１８２）が画定される、ハウジング（１８０）と、
   ヘッド（２０２）と、前記ヘッド（２０２）から延びるシャフト（２０４）とを有し、前記入口ポート（１８４）および前記出口ポート（１８６）のうちの少なくとも一方を開閉するために開位置と閉位置との間で往復移動可能なピストン（２００）と、
   前記ピストン（２００）を前記閉位置へと促すために前記ピストン（２００）に付勢力を印加する付勢要素（２２０）と、
   前記シャフト（２０４）に装着される永久磁石（２１４）と、前記シャフト（２０４）を囲む電磁コイル（２１６）とを含むリニアモータ（１９４）と、
   を備え、
   電気が前記電磁コイル（２１６）に通電されると、前記電磁コイル（２１６）は、前記付勢力に打ち勝つのに十分な力を前記シャフト（２０４）に印加するべく、前記永久磁石（２１４）と相互作用する磁場を発生させ、前記閉位置から前記開位置への前記ピストン（２００）の移動を引き起こす、
   制御弁（１５６）。
2. 前記流路（１８２）が、少なくとも９００ｓｃｆｍの流量を許容するように寸法付けられる、請求項１記載の制御弁（１５６）。
3. 前記リニアモータ（１９４）が、前記ヘッド（２０２）を３０ｍｓ以下の応答時間で前記閉位置と前記開位置との間において移動させる、請求項２記載の制御弁（１５６）。
4. 前記流量が少なくとも１７００ｓｃｆｍにまで至り、前記応答時間が２５ｍｓ未満である、請求項３記載の制御弁（１５６）。
5. 前記付勢要素（２２０）が、前記ピストン（２００）の前記ヘッド（２０２）に当接する一端（２２４）を有するコイルスプリング（２２２）を含む、請求項１記載の制御弁（１５６）。
6. 前記リニアモータ（１９４）がハウジング（２１２）を含み、前記コイルスプリング（２２２）が前記リニアモータ（１９４）の前記ハウジング（２１２）を囲む、請求項５記載の制御弁（１５６）。
7. 前記ヘッド（２０２）が、凹部（２１０）への開口（２０８）を画定する下端（２０６）を有し、前記リニアモータ（１９４）の前記ハウジング（２１２）の少なくとも一部が前記凹部（２１０）内に設けられる、請求項６記載の制御弁（１５６）。
8. 前記電磁コイル（２１６）が前記リニアモータ（１９４）の前記ハウジング（２１２）内に存在し、前記シャフト（２０４）の少なくとも一部が前記リニアモータ（１９４）の前記ハウジング（２１２）内へと延び、前記永久磁石（２１４）が前記リニアモータ（１９４）の前記ハウジング（２１２）内に存在する、請求項７記載の制御弁（１５６）。
9. 前記リニアモータ（１９４）の前記ハウジング（２１２）が、前記制御弁（１５６）の前記ハウジング（１８０）に固定される、請求項８記載の制御弁（１５６）。
10. 前記シャフト（２０４）を囲み、前記リニアモータ（１９４）の前記ハウジング（２１２）に装着されるベアリング（２３０）を更に備える、請求項９記載の制御弁（１５６）。
11. 加圧空気源（５４）と、
    空気スターター（５２）と、
    制御弁（５６）であって、前記加圧空気源（５４）に流体結合される入口ポート（８４）と前記空気スターター（５２）に流体結合される出口ポート（８６）とを有する流路（８２）を画定するハウジング（８０）と、前記入口ポート（８４）および前記出口ポート（８６）のうちの一方を選択的に開閉して前記制御弁（５６）の対応する開閉をもたらすために開位置と閉位置との間で移動できる弁体（８８）と、前記弁体（８８）を前記開位置と前記閉位置との間で移動させるために前記弁体（８８）に作用可能に結合されるリニアモータ（９４）とを含む、制御弁（５６）と、
    を備え、
    前記流路（８２）は、少なくとも９００ｓｃｆｍの流量を許容するように寸法付けられ、前記リニアモータ（９４）は、前記弁体（８８）を３０ｍｓ以下の応答時間で前記閉位置と前記開位置との間において移動させる、
    エンジン用の空気始動システム（４４）。
12. 前記流量が少なくとも１７００ｓｃｆｍにまで至り、前記応答時間が２５ｍｓ未満である、請求項１１記載の空気始動システム（４４）。
13. 前記弁体（８８）は、ヘッド（２０２）と、前記ヘッド（２０２）から延びるシャフト（２０４）とを有するピストン（２００）を含み、前記リニアモータ（９４）は、前記シャフト（２０４）に装着される永久磁石（２１４）と、電磁コイル（２１６）とを含み、電気が前記電磁コイル（２１６）に通電されると、前記電磁コイル（２１６）は、前記永久磁石（２１４）を移動させる磁場を発生させ、前記ピストン（２００）の対応する移動を引き起こし、その結果、前記ヘッド（２０２）が前記閉位置から前記開位置へ移動する、請求項１１記載の空気始動システム（４４）。
14. 前記制御弁（５６）が、前記リニアモータ（９４）からの対抗力が存在しないと、前記ピストン（２００）を前記閉位置へ移動させる付勢力を印加する付勢要素（２２０）を更に含む、請求項１３記載の空気始動システム（４４）。
15. 前記電磁コイル（２１６）が内部（２１８）を画定し、前記永久磁石（２１４）が前記内部（２１８）を通じて往復動する、請求項１４記載の空気始動システム（４４）。
16. 前記シャフト（２０４）が前記内部（２１８）を貫通して延びる、請求項１５記載の空気始動システム（４４）。
17. 前記付勢要素（２２０）が、前記電磁コイル（２１６）を囲むコイルスプリング（２２２）を含む、請求項１６記載の空気始動システム（４４）。
18. 前記コイルスプリング（２２２）が前記ヘッド（２０２）に当接する、請求項１７記載の空気始動システム（４４）。
19. 前記電磁コイル（２１６）の少なくとも一部が、前記ヘッド（２０２）内にある、請求項１８記載の空気始動システム（４４）。
20. 加圧空気源（５４）と、
    空気スターター（５２）と、
    制御弁（５６）であって、
    内部（１９８）を画定するハウジング（１８０）であり、前記ハウジング（１８０）に入口ポート（１８４）および出口ポート（１８６）が形成され、前記入口ポート（１８４）から前記出口ポート（１８６）へと前記内部（１９８）を貫いて流路（１８２）が画定され、前記入口ポート（１８４）が前記加圧空気源（５４）に流体結合され、前記出口ポート（１８６）が前記空気スターター（５２）に流体結合される、ハウジング（１８０）と、
    ヘッド（２０２）と、前記ヘッド（２０２）から延びるシャフト（２０４）とを有し、前記入口ポート（１８４）および前記出口ポート（１８６）のうちの少なくとも一方を開閉するために開位置と閉位置との間で往復移動可能なピストン（２００）を有する弁体（１８８）と、
    前記ピストン（２００）を前記閉位置へと促すために前記ピストン（２００）に付勢力を印加する付勢要素（２２０）と、
    前記弁体（１８８）を前記開位置と前記閉位置との間で移動させるために前記弁体（１８８）に作用可能に結合されるリニアモータ（１９４）と、
    を備える制御弁（５６）と、
    を備え、
    前記流路（１８２）は、少なくとも９００ｓｃｆｍの流量を許容するように寸法付けられ、前記リニアモータ（１９４）は、前記弁体（１８８）を３０ｍｓ以下の応答時間で前記閉位置と前記開位置との間において移動させる、
    エンジン用の空気始動システム（４４）。