JP2022112992A - 流体機械および流体機械の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力脈動やトルク脈動が過大になることを防止可能な流体機械および流体機械の駆動方法を提供する。【解決手段】複数のシリンダのそれぞれと共に、シャフトの回転に連動して容積変化する複数の作動室のそれぞれを形成する複数のピストンと、複数の低圧バルブおよび複数の高圧バルブのそれぞれを駆動するバルブ駆動ユニットと、作動室のそれぞれにおける作動流体が吸入・吐出することで、シャフトの回転周期のうちの第１範囲に配置され、ポンピングを行うシリンダ、および、シャフトの回転周期のうちの第２範囲に配置され、モータリングを行うシリンダの中から、第１範囲および第２範囲のいずれか一方の範囲の両端部の一方に配置されるシリンダをポンピングおよびモータリングのいずれも行わない非アクティブとすることで、目標の出力トルク以上が得られるように、低圧バルブおよび高圧バルブのそれぞれを駆動する制御を実行する制御部と、を備える。【選択図】図４

Description

本開示は、流体機械および流体機械の駆動方法に関する。

例えば、特許文献１には、クランクシャフトの軸周上に配置される複数のシリンダと、シリンダのそれぞれと共に、クランクシャフトの回転に連動して容積変化する複数の作動室のそれぞれを形成する複数のピストンと、作動室のそれぞれと低圧ポートとの連通・閉鎖を行う複数の低圧バルブと、作動室のそれぞれと高圧ポートとの連通・閉鎖を行う複数の高圧バルブと、複数の低圧バルブおよび複数の高圧バルブのそれぞれを磁力によって駆動する複数のソレノイドと、を有する電磁バルブ駆動ユニットと、ソレノイドが低圧バルブおよび高圧バルブのそれぞれを駆動し、作動室のそれぞれにおける作動流体が吸入・吐出することで、複数のシリンダにおいてポンプピング又はモータリングを行うシリンダをアクティブとし、また、ポンピングおよびモータリングのいずれも行わないシリンダを非アクティブにするように、ソレノイドへの通電を制御する制御部と、を備える流体機械が開示されている。

また、制御部は、クランクシャフトの軸周上に配置される全部のシリンダの作動流体の全吐出量に対する指定するシリンダの作動流体の指示吐出量の割合を、シリンダのアクティブ判定タイミングごとに加算していき、加算値が１００［％］を超えた場合、指定するシリンダをアクティブにするようにソレノイドへの通電を制御し、一度アクティブ判定した場合、加算値から１００［％］を差し引くように、ソレノイドへの通電を制御する。

特表２０１２－５２３５１５号公報

ところで、指示吐出量が全吐出量に対し少ない場合、特に、クランクシャフトの回転１周期に対しアクティブになるシリンダ数が「３」未満になる場合、吐出量の変動が大きく、圧力脈動やトルク脈動が過大になるおそれがある。

図１は、クランクシャフトの回転１周期に対しアクティブになるシリンダ数毎に出力トルク率の一例を示す図である。図１の横軸にクランク角［ｄｅｇ］、縦軸に出力トルク率［％］を示す。ここで、「出力トルク率」とは、クランクシャフトの回転１周期上の全部のシリンダの出力トルクに対しアクティブになるシリンダの出力トルクの割合である。図１に示すように、アクティブになるシリンダ数が「１」である場合、出力トルク率は０［％］と２５［％］との間で変動する。アクティブになるシリンダ数が「３」である場合、出力トルク率は２０［％］と３０［％］との間で変動する。これに対し、アクティブになるシリンダ数が「１２」である場合、出力トルク率は９５［％］と１００［％］との間で変動する。

図１から、クランクシャフトの回転１周期に対しアクティブになるシリンダ数が「３」未満になる場合、シリンダ数が「１２」である場合と比較して、吐出量の変動が大きく、圧力脈動やトルク脈動が過大になることがわかる。圧力脈動やトルク脈動が過大になると、作動流体を通すホースの振動や騒音が発生する場合があり、また、ホースが損傷する要因となる。また、このような流体機械の圧力やトルクが車両の走行に用いられると、車両の急加速が発生する場合があり、乗り心地に影響する。

本開示の目的は、圧力脈動やトルク脈動が過大になることを防止可能な流体機械および流体機械の駆動方法を提供することである。

上記の目的を達成するため、本開示における流体機械は、
シャフトの軸周上に配置される複数のシリンダと、
前記複数のシリンダのそれぞれと共に、前記シャフトの回転に連動して容積変化する複数の作動室のそれぞれを形成する複数のピストンと、
前記作動室のそれぞれと低圧ポートとの連通・閉鎖を行う複数の低圧バルブと、前記作動室のそれぞれと高圧ポートとの連通・閉鎖を行う複数の高圧バルブとを有し、前記複数の低圧バルブおよび前記複数の高圧バルブのそれぞれを駆動するバルブ駆動ユニットと、
前記作動室のそれぞれにおける作動流体が吸入・吐出することで、前記シャフトの回転周期のうちの第１範囲に配置され、アクティブとしてのポンピングを行うシリンダ、および、前記シャフトの回転周期のうちの前記第１範囲以外の第２範囲に配置され、アクティブとしてのモータリングを行うシリンダの中から、前記第１範囲および前記第２範囲のいずれか一方の範囲の両端部の一方に配置されるシリンダを前記アクティブから前記ポンピングおよび前記モータリングのいずれも行わない非アクティブとすることで、目標の出力トルク以上が得られるように、前記低圧バルブおよび前記高圧バルブのそれぞれを駆動する制御を実行する制御部と、
を備える。

本開示における流体機械の駆動方法は、
シャフトの軸周上に配置される複数のシリンダと、
前記複数のシリンダのそれぞれと共に、前記シャフトの回転に連動して容積変化する複数の作動室のそれぞれを形成する複数のピストンと、
前記作動室のそれぞれと低圧ポートとの連通・閉鎖を行う複数の低圧バルブと、前記作動室のそれぞれと高圧ポートとの連通・閉鎖を行う複数の高圧バルブとを有し、前記複数の低圧バルブおよび前記複数の高圧バルブのそれぞれを駆動するバルブ駆動ユニットと、
を備える流体機械の駆動方法であって、
前記作動室のそれぞれにおける作動流体が吸入・吐出することで、前記シャフトの回転周期のうちの第１範囲に配置され、アクティブとしてのポンピングを行うシリンダ、および、前記シャフトの回転周期のうちの前記第１範囲以外の第２範囲に配置され、アクティブとしてのモータリングを行うシリンダの中から、前記第１範囲および前記第２範囲のいずれか一方の範囲の両端部の一方に配置されるシリンダを前記アクティブから前記ポンピングおよび前記モータリングのいずれも行わない非アクティブとすることで、目標の出力トルク以上が得られるように、前記低圧バルブおよび前記高圧バルブのそれぞれを駆動する。

本開示によれば、圧力脈動やトルク脈動が過大になることを防止できる。

図１は、クランクシャフトの回転１周期に対しアクティブになるシリンダ数毎に出力トルク率の一例を示す図である。 図２は、本開示の実施の形態に係る流体機械の一例を概略的に示す図である。 図３Ａは、非通電状態にあるソレノイドの一例を概略的に示す説明図である。 図３Ｂは、通電状態にあるソレノイドの一例を概略的に示す説明図である。 図４は、１２シリンダ構成における出力トルク率の一例を示す図である。 図５は、変形例に係る流体機械において、１２シリンダ構成における出力トルク率の例を示す図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図２は、本開示の実施の形態に係る流体機械１の一例を概略的に示す図である。

本開示の実施の形態に係る流体機械１は、機械と作動流体との間でエネルギー変換をする装置である。ここで、「作動流体」とは、流体機械１の中で動力を伝達する媒体である。ここでは、作動流体の一例として作動油を挙げて説明する。流体機械１は、電子制御式可変容量型ポンプモータ２、高圧バルブ３、低圧バルブ４、高圧ポート５、低圧ポート６、電磁ソレノイド７（図３Ａ参照）、クランクシャフト８、および、制御部１０を備える。本開示の「バルブ駆動ユニット」は、高圧バルブ３、低圧バルブ４および電磁ソレノイド７を有する。

電子制御式可変容量型ポンプモータ２は、複数（図２では、１２個）のピストンシリンダ２１を有している。複数のピストンシリンダ２１は、クランクシャフト８の軸周上に所定の間隔で配置される。クランクシャフト８はカム部８ａを有している。

複数のピストンシリンダ２１のそれぞれは、クランクシャフト８の回転運動に連動して並進運動をするピストン２２と、ピストン２２の並進運動によって容積が変化する作動室（チャンバ）を構成するシリンダ２３とを有する。

高圧バルブ３は、複数のピストンシリンダ２１のそれぞれに対応して配置され、作動室と高圧ポート５との連通・閉鎖を行う。

低圧バルブ４は、複数のピストンシリンダ２１のそれぞれに対応して配置され、作動室と低圧ポート６との連通・閉鎖を行う。

高圧ポート５は、図示しない高圧ラインを介して例えば高圧タンク（不図示）や、油圧アクチュエータ（不図示）に接続されている。

低圧ポート６は、図示しない低圧ラインを介して例えば作動油を貯留する油タンク（不図示）に接続されている。なお、油タンクは大気圧下に置かれる。

図３Ａおよび図３Ｂは、電磁ソレノイド７の一例を概略的に示す図である。図３Ａは、非通電状態にある電磁ソレノイド７の一例を概略的に示す図である。図３Ｂは、通電状態にある電磁ソレノイド７の一例を概略的に示す図である。高圧バルブ３は、電磁ソレノイド７が非通電状態である場合、高圧ポート５を閉じ、電磁ソレノイド７が通電状態である場合、高圧ポート５を開く。高圧ポート５の閉じ状態では、作動室と高圧ポート５とが連通しない非通電状態となる。高圧ポート５の開き状態では、作動室と高圧ポート５とが連通する通電状態となる。低圧バルブ４は、電磁ソレノイド７が非通電状態である場合、低圧ポート６を開き、電磁ソレノイド７が通電状態である場合、低圧ポート６を閉じる。低圧ポート６の開き状態では、作動室と低圧ポート６とが連通する通電状態となる。低圧ポート６の閉じ状態では、作動室と低圧ポート６とが連通しない非通電状態となる。

制御部１０は、例えば、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、等からなるマイクロコンピュータと入出力装置とを備えるＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。ＥＣＵの入力回路には、クランクシャフト８の回転位相を検出するための検出部（不図示）が接続されている。制御部１０は、クランクシャフト８の回転位相に応じて電磁ソレノイド７への通電を制御する。

制御部１０は、作動室のそれぞれにおける作動流体が吸入・吐出することで、前記シャフトの回転周期上に配置される複数のシリンダのそれぞれがポンピング（後述する）を行うように、また、モータリング（後述する）を行うように、また、ポンピングおよびモータリングのいずれも行わないようにすべく、低圧バルブ４および高圧バルブ３のそれぞれを駆動するように、電磁ソレノイド７への通電を制御する。

ここで、「ポンピング」とは、作動室の膨張時に作動室と高圧ポート５とを閉鎖する一方、作動室と低圧ポート６とを連通して低圧ポート６から作動流体（作動油）を吸入し、作動室の圧縮時に作動室と低圧ポート６とを閉鎖する一方、作動室と高圧ポート５とを連通して高圧ポート５に作動流体を吐出することをいう。また、「モータリング」とは、作動室の圧縮時に作動室と高圧ポート５とを閉鎖する一方、作動室と低圧ポート６とを連通して低圧ポート６に作動流体を吐出し、作動室の膨張時に作動室と低圧ポート６とを閉鎖する一方、作動室と高圧ポート５とを連通して高圧ポートから作動流体を吸入することをいう。

以下の説明において、「アクティブ」とは、ポンピングおよびモータリングのいずれかを行う状態をいう。また、「非アクティブ」とは、ポンピングおよびモータリングのいずれも行わない状態をいい、シリンダの圧縮・膨張の両工程で高圧バルブを閉じ、低圧バルブを開放することにより、ほぼ無負荷で作動流体（例えば、オイル）を低圧ポートから吸入し再度低圧ポートに排出するアイドリング状態をいう。また、「出力トルク率」とは、全シリンダ数の出力トルクに対しアクティブになるシリンダの出力トルクの割合をいう。また、「全シリンダ数」とは、クランクシャフト８の回転周期の所定数上に配置されるシリンダ数である。例えば、クランクシャフト８の軸周上に１２個のシリンダが配置される１２シリンダ構成の場合、クランクシャフト８の回転１周期上に配置されるシリンダ数である１２（＝１２×１）が全シリンダ数となる。

＜１２シリンダ構成＞
以下、１２シリンダ構成において、出力トルク率８．３［％］（＝１／１２）が目標の出力トルクとして指示される場合、全シリンダ数の中から、ポンピングを行うシリンダおよびモータリングを行うシリンダを選択する方法について図４を参照して説明する。

指定された目標の出力トルクである出力トルク率８．３［％］は、１２個のシリンダの出力トルクに対する１個のシリンダの出力トルクの割合である。これにより、ポンピングを行うシリンダの数とモータリングを行うシリンダ数との差を「１」とすれば、目標の出力トルクとしての出力トルク率８．３［％］を得ることが可能である。

具体的には、制御部１０は、クランクシャフト８の回転周期のうちの第１範囲に配置され、アクティブとしてのポンピングを行うシリンダ、および、クランクシャフト８の回転周期のうちの第１範囲以外の第２範囲に配置され、アクティブとしてのモータリングを行うシリンダの中から、第１範囲および第２範囲のいずれか一方の範囲の両端部の一方に配置されるシリンダをアクティブからポンピングおよび前記モータリングのいずれも行わない非アクティブとすることで、目標の出力トルクが得られるように、高圧バルブ３および低圧バルブ４のそれぞれを駆動する制御を実行する。

ここで、クランクシャフト８の回転周期上のクランク角０°、３０°、６０°、９０°、１２０°、１５０°、１８０°、２１０°、２４０°、２７０°、３００°、３３０°のそれぞれの位置に番号（１）から番号（１２）が付される場合において、制御部１０は、番号（１）から（６）が付される第１範囲（クランク角０°から１５０°）に配置され、アクティブとしてのポンピングを行うシリンダ、および、番号（７）から（１２）が付される第２範囲（クランク角１８０°から３３０°）に配置され、アクティブとしてのモータリングを行うシリンダの中から、第２範囲の端部の位置である番号（１２）（クランク角３３０°）に配置されたシリンダをアクティブから非アクティブとするように、高圧バルブ３および低圧バルブ４のそれぞれを駆動する制御を実行する。以下の説明で、クランク角０°から１５０°に配置されたシリンダにより行われるポンピングを「半周期ポンピング」という。また、クランク角１８０°から３００°に配置されたシリンダにより行われるモータリングを「半周期モータリング」という。

図４は、１２シリンダ構成における出力トルク率の一例を示す図である。図４の横軸にクランク角［ｄｅｇ］、縦軸に出力トルク率［％］を示す。また、図４に半周期ポンピングの出力トルク率を一点鎖線で示し、半周期モータリングの出力トルク率を破線で示し、これらを合算した出力トルク率を実線で示す。図４においては、ポンピングの出力トルク率をプラス側に示し、モータリングの出力トルク率をマイナス側に示す。

図４から、合算した出力トルク率が約１０［％］まで下がることがわかる。つまり、半周期ポンピングと半周期モータリングとを行うことにより、また、ポンピング又はモータリングが行われる範囲の端部の位置に配置されるシリンダをアクティブから非アクティブとすることにより、出力トルクのピークが全体に下がるため、圧力脈動やトルク脈動が過大になることを防止することが可能となる。

上記実施の形態に係る流体機械１は、クランクシャフト８の軸周上に配置される複数のシリンダと、複数のシリンダのそれぞれと共に、クランクシャフト８の回転に連動して容積変化する複数の作動室のそれぞれを形成する複数のピストンと、作動室のそれぞれと低圧ポート６との連通・閉鎖を行う複数の低圧バルブ４と、作動室のそれぞれと高圧ポート５との連通・閉鎖を行う複数の高圧バルブ３とを有し、複数の低圧バルブ４および複数の高圧バルブ３のそれぞれを駆動するバルブ駆動ユニットと、作動室のそれぞれにおける作動流体（作動油）が吸入・吐出することで、クランクシャフト８の回転周期のうちの第１範囲に配置され、ポンピングを行うシリンダ、および、クランクシャフト８の回転周期のうちの第１範囲以外の第２範囲に配置され、モータリングを行うシリンダの中から、第１範囲および第２範囲のいずれか一方の範囲の両端部の一方に配置されるシリンダをポンピングおよびモータリングのいずれも行わない非アクティブとすることで、目標の出力トルクが得られるように、低圧バルブ４および高圧バルブ３のそれぞれを駆動する制御を実行する制御部１０と、を備える。

上記構成により、指定吐出量が全吐出量に対して小さい場合であっても、出力トルクのピークが全体に下がるため、圧力脈動やトルク脈動が過大になることを防止することが可能となる。

なお、上記実施の形態では、アクティブとしてのポンピング行われるシリンダおよびアクティブとしてのモータリングが行われるシリンダの中から、所定のシリンダをアクティブから非アクティブにすることにより、目標の出力トルクが得られるようにしたが、本開示はこれに限らず、目標の出力トルク以上が得られるようにしてもよい。

＜変形例＞
次に、本実施の形態の変形例について説明する。
変形例の説明においては、主に上記実施の形態と異なる構成について説明し、同じ構成については、同一番号を付してその説明を省略する。

上記実施の形態における流体機械１では、制御部１０は、目標の出力トルクである出力トルク率８．３［％］を得るため、１２シリンダ構成において、番号（１）から番号（６）が付される第１範囲（クランク角０°から１５０°）に配置され、アクティブとしてのポンピングを行うシリンダ、および、番号（７）から（１２）が付される第２範囲（クランク角１８０°から３３０°）に配置され、アクティブとしてのモータリングを行うシリンダの中から、第２範囲の端部である番号（１２）（クランク角３３０°）に配置されたシリンダをアクティブから非アクティブとするように、高圧バルブ３および低圧バルブ４のそれぞれを駆動する制御を実行する。

図５は、変形例に係る流体機械１において、１２シリンダ構成における出力トルク率の例を示す図である。図５に示すように、変形例に係る流体機械１では、制御部１０は、目標の出力トルクである出力トルク率１６．７［％］を得るため、１２シリンダ構成において、番号（１）から番号（６）が付される第１範囲（クランク角０°から１５０°）に配置され、アクティブとしてのポンピングを行うシリンダ、および、番号（７）から（１２）が付される第２範囲（クランク角１８０°から３３０°）に配置され、アクティブとしてのモータリングを行うシリンダの中から、番号（７）に配置されたシリンダおよび番号（１２）（クランク角３３０°）に配置されたシリンダをアクティブから非アクティブとするように、高圧バルブ３および低圧バルブ４のそれぞれを駆動する制御を実行する。高圧バルブ３および低圧バルブ４のそれぞれを駆動する制御を実行する。

図５から、合算した出力トルク率が約３０［％］まで下がることがわかる。つまり、変形例における流体機械１においても、半周期ポンピングと半周期モータリングとを行うことにより、また、ポンピング又はモータリングが行われる範囲の両端部のそれぞれの位置に配置されるシリンダを非アクティブとすることにより、出力トルクのピークが全体に下がるため、圧力脈動やトルク脈動が過大になることを防止することが可能となる。

その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施をするにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本開示は、圧力脈動やトルク脈動が過大になることを防止することが要求される流体機械を備えた車両等に利用される。

１ 流体機械
２ 電子制御式可変容量型ポンプモータ
３ 高圧バルブ
４ 低圧バルブ
５ 高圧ポート
６ 低圧ポート
７ 電磁ソレノイド
８ クランクシャフト
８ａ カム部
１０ 制御部
２１ ピストンシリンダ
２２ ピストン
２３ シリンダ

Claims (4)

1. シャフトの軸周上に配置される複数のシリンダと、
   前記複数のシリンダのそれぞれと共に、前記シャフトの回転に連動して容積変化する複数の作動室のそれぞれを形成する複数のピストンと、
   前記作動室のそれぞれと低圧ポートとの連通・閉鎖を行う複数の低圧バルブと、前記作動室のそれぞれと高圧ポートとの連通・閉鎖を行う複数の高圧バルブとを有し、前記複数の低圧バルブおよび前記複数の高圧バルブのそれぞれを駆動するバルブ駆動ユニットと、
   前記作動室のそれぞれにおける作動流体が吸入・吐出することで、前記シャフトの回転周期のうちの第１範囲に配置され、アクティブとしてのポンピングを行うシリンダ、および、前記シャフトの回転周期のうちの前記第１範囲以外の第２範囲に配置され、アクティブとしてのモータリングを行うシリンダの中から、前記第１範囲および前記第２範囲のいずれか一方の範囲の両端部の一方に配置されるシリンダを前記アクティブから前記ポンピングおよび前記モータリングのいずれも行わない非アクティブとすることで、目標の出力トルク以上が得られるように、前記低圧バルブおよび前記高圧バルブのそれぞれを駆動する制御を実行する制御部と、
   を備える、
   流体機械。
2. 前記制御部は、前記非アクティブとするシリンダ数が複数である場合、前記範囲の両端部の一方において非アクティブとするシリンダ数と前記範囲の両端部の他方において非アクティブとするシリンダ数との差が１以下となるように、前記低圧バルブおよび前記高圧バルブのそれぞれを駆動する制御を実行する請求項１に記載の流体機械。
3. 前記ポンピングは、前記作動室の膨張時に作動室と高圧ポートとを閉鎖する一方、作動室と低圧ポートとを連通して低圧ポートから作動流体を吸入し、前記作動室の圧縮時に作動室と低圧ポートとを閉鎖する一方、作動室と高圧ポートとを連通して高圧ポートに作動流体を吐出し、
   前記モータリングは、前記作動室の圧縮時に作動室と高圧ポートとを閉鎖する一方、作動室と低圧ポートとを連通して低圧ポートに作動流体を吐出し、作動室の膨張時に作動室と低圧ポートとを閉鎖する一方、作動室と高圧ポートとを連通して高圧ポートから作動流体を吸入する、
   請求項１または２に記載の流体機械。
4. シャフトの軸周上に配置される複数のシリンダと、
   前記複数のシリンダのそれぞれと共に、前記シャフトの回転に連動して容積変化する複数の作動室のそれぞれを形成する複数のピストンと、
   前記作動室のそれぞれと低圧ポートとの連通・閉鎖を行う複数の低圧バルブと、前記作動室のそれぞれと高圧ポートとの連通・閉鎖を行う複数の高圧バルブとを有し、前記複数の低圧バルブおよび前記複数の高圧バルブのそれぞれを駆動するバルブ駆動ユニットと、
   を備える流体機械の駆動方法であって、
   前記作動室のそれぞれにおける作動流体が吸入・吐出することで、前記シャフトの回転周期のうちの第１範囲に配置され、アクティブとしてのポンピングを行うシリンダ、および、前記シャフトの回転周期のうちの前記第１範囲以外の第２範囲に配置され、アクティブとしてのモータリングを行うシリンダの中から、前記第１範囲および前記第２範囲のいずれか一方の範囲の両端部の一方に配置されるシリンダを前記アクティブから前記ポンピングおよび前記モータリングのいずれも行わない非アクティブとすることで、目標の出力トルク以上が得られるように、前記低圧バルブおよび前記高圧バルブのそれぞれを駆動する、
   流体機械の駆動方法。

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