JP4689598B2 - 可変容量ポンプ用定バイパス流量調節器 - Google Patents

Description

本発明は、一般に流体量を調節する装置、特にバイパス流を利用する可変容量ポンプから吐出される燃料量を調節するための装置に向けられる。

（関連出願の相互参照）
本出願は２００３年４月１４日に出願された米国仮特許出願番号６０／４６２，６５２号に対する優先権を請求する。

固定吐出燃料ポンプは関係するエンジンへの適量の燃料供給を保証するためにしばしば過大な量の燃料を供給するように寸法が決定される。したがって、多くの運転条件で昇圧された大量の燃料が再循環のために燃料ポンプ入口に戻される。燃料の回収と再循環とは、再循環経路で圧力が低下したとき、後に熱に変化する、燃料に負わされた過剰なエネルギによって燃料を著しく加熱することになる。最新のエンジンでは、この燃料の加熱は燃料が、典型的には適切な運転温度を維持するための熱交換媒体として使用されるので、重要な問題である。他の熱交換方法は構成要素のサイズ、重量およびコストのために望ましくない。

可変容量ポンプは燃料吐出量を変化させることで、固定吐出ポンプの欠点を部分的に克服した。送り出される燃料は燃料吐出量を変えることで、一段と厳密にエンジン側の要求に合わせることができる。それゆえ、発生する熱と共に再循環量が減少する、可変容量燃料ポンプはサンバーグに付与された米国特許第5,833,438号明細書に開示されるように、この技術分野では知られている。明細書の開示は参照してここに全部を取り入れる。可変容量ポンプは、典型的には固定軸と、回動カムリングを有するロータとを備える。カムリング・ピストンはトルク・モータ駆動のサーボ弁によって制御される。しかしながら、関係する当業者に理解されるように、エンジン運転条件はしばしばエンジン・アクチュエータ旋回、エンジン始動および類似した条件で起こる過渡的変動のような過渡現象を含む。従来技術によるポンプ制御装置は刻々変化する運転条件のもとで素早く、適切に応答することができない。この難点にもかかわらず、可変容量ポンプは変化するエンジン要求にまだ十分に早く応答することができず、過剰な燃料量がまだ一般的である。

こうした欠点を考慮して、可変容量燃料ポンプを全ての運転条件で完全に利用する制御装置が開発された。可変容量ポンプ制御装置の具体例はペックらに付与された米国特許第5,716,201号明細書およびルーターらに付与された米国特許第5,715,674号明細書に開示される。これらの明細書の開示は参照してここに全部を取り入れる。典型的なポンプ制御装置はエンジン運転条件の全範囲にわたり燃料量を正確に維持するように試みる。しかしながら、このような制御装置は安定性に欠け、帯域幅が不十分であるなどの未だに不適切な点を含む。さらに、この制御装置は未だに再循環しなければならない過剰な燃料を供給する傾向がある。このポンプ制御装置は望ましくないコスト上昇を招き、ポンプ制御装置を複雑化する、高度の技術を取り入れた電子回路および多くの追加要素部品を備える。

上記の点を考慮して、従来技術と関連した欠点のない、可変容量ポンプの吐出量を正確に、かつ素早く調節するポンプ制御装置を提供することが望ましい。

本発明はポンプ吐出が流量の変動に順応するのに十分な量で関係するエンジンの要求する定常状態の流量を上回り、しかもバイパス流量が実質的に一定した許容可能なレベル、すなわち過剰な熱の発生を防ぐために流量を十分に小さく維持するようにした可変容量燃料ポンプ用ポンプ制御装置に向けられる。

本発明の好ましい実施例に従って、本開示の利点は可変容量燃料ポンプの吐出量を設定するために燃料を計量しながら、一定したバイパス流量を流す調節器を利用することで達成される。

本開示の目的は全運転条件で許容可能な安定性を保ちながら、燃料計量ユニットの帯域幅を増すことである。

本開示の別の目的は可変容量ポンプ用油圧・機械式燃料計量ユニットを提供することにある。

本開示のさらに別の目的は動的流動条件に合わせて素早く、しかも正確に応答する燃料計量ユニットを提供することにある。

好ましい実施例において、本発明は可変容量ポンプを制御する燃料計量ユニットに向けられる。この燃料計量ユニットは可変容量ポンプの吐出量を計量するため可変容量ポンプと流体連通している計量弁と、戻り燃料流を生成するため計量弁と流体連通している圧力調節器と、可変容量ポンプの吐出量を設定することで、戻り燃料流が実質的に一定に維持されるように、戻り燃料量を調節する、圧力調節器と可変容量ポンプとに流体連通している調節弁とを備える。

唯一の図１を参照すると、参照符号１０によって表わされる、本発明の燃料制御装置の図式的描写が示される。以下の記述を通して明瞭を目的として、燃料制御装置１０系内の矢印は燃料が流れる方向を示し、注釈付き文字“Ｐ”はある位置での圧力を呈することを示す。ここで、左、右、上および下のような全ての相対的記述は、唯一の図１に示されるような燃料制御装置１０に対する参照に関わるもので、限定の意味合いを含まない。これに加えて、明瞭を目的として、フィルタおよび開閉ソレノイドのようなありふれた要素は図１の図式的描写には含まれない。この燃料制御装置１０は可変容量ベーン・ポンプ１２と関係づけて示される。燃料制御装置１０はエンジン要求を満たし、しかも、過剰エネルギが燃料に与えられるのを防ぐ、たとえば戻り燃料流のような再循環量を有利に最小にするように可変容量ポンプ１２の吐出を維持する。

可変容量ベーン・ポンプ１２はロータ１４と、回動するカムリング１６とを備える。可変容量ベーン・ポンプ１２の詳細な説明については、２００１年５月２９日に出願された米国特許出願番号０９／８６７，３５９号明細書を参照する。明細書の開示は参照してここに全部を取り入れる。可変容量ポンプ１２は入口圧力Ｐ_AFで系統１５からの燃料流を受け入れ、吐出圧力Ｐ_Fで燃料流を送り出す。ピストン１８はロータ１４に対するカムリング１６の位置を制御し、順次可変容量ポンプ１２の吐出量を変えるためにカムリング１６と効果的に連結される。半積サーボ機構１７はハウジング１１内のピストン１８を位置決めする。当業者はこれと相違して配置される、類似する他の形式のサーボ機構が同一の機能を達成することが可能で、それゆえ、単なる設計上の選択事項と考えられることを理解する。これに限定されないが、たとえば等積サーボ機構もサーボ機構１７として利用することができる。可変容量ポンプ１２の最大流量設定はピストン１８が左側へ最大距離移動したときに生じる。フィードバック系統３０は吐出圧力Ｐ_Fの燃料を半積サーボ機構１７の一方の入口に与える。フィードバック系統３０のオリフィス３１はピストン１８の運動を減速する。当業者はフィードバック系統３０がより好ましい実施例について要求性能をなお維持しながら、半積サーボ機構１７を多様な油圧源と結ぶことが可能であると理解する。以下に述べるように、系統４４は半積サーボ機構１７の他方の入口に圧力を及ぼす。バネ１９は可変容量ポンプ１２の始動において流量を最大にするようにピストン１８を付勢するため寸法決めされ、構成される。当業者に理解できるように、バネ１９は燃料制御装置１０全体を通じてピストン面積と燃料圧力との積の関数として寸法決めされ、したがって、ここではこれ以上説明されない。

主計量弁２０はエンジン（図示せず）への燃料を選択された割合と圧力Ｐ_Mとを保って供給するため可変容量ポンプ１２とエンジンとの間の系統３７に配置される。適する主計量弁２０は当業者によく知られており、それゆえ、ここではこれ以上説明されない。選ばれた弁がエンジンに流れる燃料量を選択的に変えるという、機能を達成する限り、多様な計量弁２０を利用することができる。

バイパス圧力調節器２２は戻り燃料流系統３２と静圧検出系統３４とを介して系統３７と接続されている。この圧力調節器２２は内部に効果的に配置される、バネで付勢されたスプール２３を有する、燃料室を形成しているハウジング２１を備える。戻り燃料流系統３２は、たとえば戻り燃料流のような圧力関係（Ｐ_F−Ｐ_M）に従ってそこを流れる燃料を含む。静圧検出系統３４は内部の流れはないが、圧力調節器２２のスプール２３に圧力Ｐ_Mで圧力を及ぼす。戻り燃料流はバイパス圧力調節器２２から圧力Ｐ_AF´で系統３９に流出し、バイパス流量検出オリフィス４８を通って系統３８に流れる。系統３８に流れた燃料は系統４５によって可変容量ポンプ１２に再循環し、系統４４によって半積サーボ機構１７に流れる。通過する燃料量を制限するために系統３８にオリフィス４６が配置される。系統４４の圧力は静圧条件のもとで系統３０の圧力の実質的に半分であり、したがって、名称“半積サーボ機構”１７は適切である。

圧力調節器２２から流出した燃料流はまた圧力Ｐ_Fで系統３６を通して可変容量ポンプ１２から流れる吐出に直接連絡する調節弁２６の入力を生じるように系統４１、４３によって向けられる。調節弁２６は内部に効果的に配置されるバネで付勢されたスプール２９を有する燃料室を形成しているハウジング２７を備える。定常状態条件で運転する間、調節弁２６は可変容量ポンプ１２の吐出量と、バイパス流量検出オリフィス４８前後の圧力関係（Ｐ_AF´−Ｐ_AF）とを維持する。したがって、圧力調節器２２からオリフィス４８を通って流れるバイパス燃料量は実質的に一定したままである。オリフィス４８を通過する燃料量はブリード・アクチュエータ作動のような過渡現象、地勢回避動作のような小回り飛行から生じるエンジン旋回、ミサイル発射によるエンジン・サージングおよび他の同様な要求を受け入れるのに十分なレベルに設定される。調節弁２６からの主出力はサーボ圧力Ｐ_Sで系統４２に流出し、ピストン１８に圧力を作用するために半積サーボ機構１７に送り出される。ピストン１８の位置が決まると、可変容量ポンプ１２の吐出量を決定するためにロータ１４に対してカムリング１６が移動する。

定常状態で運転中、調節弁２６は燃料制御装置１０の過度の加熱を防ぐためにオリフィス４８によって比較的少量のバイパス燃料量を維持している。過渡現象が発生し、エンジンがより多量の燃料を要求したとき、主計量弁２０は直ちにエンジンへの燃料を増加するため開方向に応答し、可変容量ポンプ１２の吐出量を増大する、一連の出来事が始まる。可変容量ポンプ１２は増加要求が系統３２の戻り燃料量の減少で満たされる、増大した吐出によって直ちに応じることができない。実際には、燃料制御装置１０は直ちに応答する。系統３２の戻り燃料量の減少に合わせて圧力調節器２２のスプール２３が上方に移動する。結果として、系統３９の燃料量が減少し、オリフィス４８前後の圧力差（Ｐ_AF´−Ｐ_AF）が減少する。（Ｐ_AF´−Ｐ_AF）が減少したとき、調節弁２６のスプール２３は系統４２を流れる燃料量が減少するように右側に移動し、これにより、系統４４の圧力がピストン１８を左側に動かすように低下する。結果として、可変容量ポンプ１２の吐出量は系統３２の戻り燃料量が望ましいレベルに戻り、定常状態条件がオリフィス４８の前後に及ぶまで増加する。

これに代わる状況のもとでは、エンジンがさらに少量の燃料を要求したとき、主計量弁２０はエンジンへの燃料量を減少するため閉方向に応答する。結果として、系統３２の戻り燃料量は増加し、可変容量ポンプ１２の吐出量を減少する、一連の出来事が始まる。特に、圧力調節器２２のスプール２３は下方に移動し、系統３９の燃料量が増加し、オリフィス４８前後の圧力差（Ｐ_AF´−Ｐ_AF）が増大する。調節弁２６のスプール２３が左側に移動し、系統４２、４４の圧力がピストン１８を右側に動かすように上昇する。ピストン１８が右側に移動したとき、可変容量ポンプ１２の吐出量は減少する。結局、ピストン１８は系統３２の戻り燃料量が望ましい定常状態レベルに戻るまで、右側に位置を移す。戻り燃料量が望ましいレベルを保っているとき、（Ｐ_AF´−Ｐ_AF）は実質的に一定した定常状態レベルに戻る。それゆえ、望ましい戻り燃料量レベルと、実質的に一定したバイパス流量検出オリフィス４８前後の圧力とを維持するために調節弁２６はバイパス流量検出オリフィス４８前後の圧力差に応じて可変容量ポンプ１２を再位置決めするように再作動する。したがって、燃料制御装置１０は不必要な再循環流を伴わないでエンジン過渡現象に素早く応じる、安定した油圧・機械式燃料計量ユニットである。

本発明が好ましい実施例について説明されたが、当業者は添付された請求の範囲によって定義されるような本発明の本質と範囲とから離れることなく、本発明について多様な変更および／または変形がなし得ることを容易に理解する。

本発明の属する当業者が本発明をどのように製作し、使用するかを容易に理解できるように、図面が参照される。
図１は可変容量ポンプと、バイパス圧力調節器と、エンジン運転中、再循環で発生する熱を最小に保ちながら、直面する流量の変動に順応するのに十分なレベルで実質的に一定したバイパス流量を維持する調節弁とを備える、本発明の燃料制御装置の図式的描写である。

Claims (17)

1. 可変容量ポンプを制御する燃料計量ユニットであって、
   前記燃料計量ユニットの燃料出力を計量するため前記可変容量ポンプと流体連通している計量弁と、
   前記可変容量ポンプの吐出量から戻り燃料流を生成する流動系統と、
   前記戻り燃料流を受け入れ、かつ、調節するため前記流動系統と流体連通している圧力調節器と、
   再循環の間、過剰な熱の発生を防ぐため前記可変容量ポンプの吐出量を設定することで、前記戻り燃料量を一定した小さいレベルに調節し、前記可変容量ポンプに結ばれる主出力系統を有し、前記可変容量ポンプのサーボ機構として作動する調節弁と、
   前記調節弁の前後に圧力差を生じさせるため前記圧力調節器の出力側に効果的に結ばれるオリフィスと、
   を備え、定常状態で運転中、前記調節弁は前記主出力系統による前記可変容量ポンプの吐出量を維持し、次いで、前記オリフィス前後の圧力差を一定の小さなレベルに維持する燃料計量ユニット。
2. 前記サーボ機構が、その位置を設定するために前記戻り燃料流に結ばれ、前記可変容量ポンプの吐出量を決定し、これによって戻り燃料量を決定する請求項１に記載の燃料計量ユニット。
3. 前記サーボ機構の適正な設定を促すため、前記サーボ機構を減衰するよう前記サーボ機構に静圧を供給する前記可変容量ポンプの吐出側と前記サーボ機構との間にフィードバック系統を備える請求項１に記載の燃料計量ユニット。
4. 前記圧力調節器の適正な設定を促すため前記可変容量ポンプの燃料出力と前記圧力調節器との間に静圧検出系統を備える請求項１に記載の燃料計量ユニット。
5. 駆動される可変容量ポンプを制御する燃料計量ユニットであって、
   前記可変容量ポンプの吐出量を変化させるサーボ機構と、
   エンジンへの燃料量を正確に計画するためそれの作動が前記可変容量ポンプの燃料出力を調節するように前記可変容量ポンプの吐出に効果的に結ばれた計量弁と、
   前記可変容量ポンプの吐出側と前記計量弁との間に結ばれた戻り燃料流系統と、
   第１の調節器前後の第１の圧力差が前記第１の調節器の出力を決定するように、前記戻り燃料流系統に効果的に結ばれた第１の調節器と、
   入力側をもち、前記第１の調節器の出力側と効果的に結ばれ、かつ、前記サーボ機構とに効果的に結ばれた出力側をもつ第２の調節器と、前記調節弁の前後の圧力差を生じさせるため前記圧力調節器の出力側に効果的に結ばれるオリフィスと、
   を備え、定常状態条件の間、前記可変容量ポンプの出力と前記オリフィスの前後の圧力差が調節され、過渡条件の間、前記第２の調節器前後の第２の圧力差が前記第２の調節器の出力を調節し、順次前記サーボ機構を調節し、前記戻り燃料流系統内のその後の流量が望ましい流量に等しくなるように、前記可変容量ポンプの吐出量を変えるようにした燃料計量ユニット。
6. 前記可変容量ポンプと前記サーボ機構との間に結ばれるフィードバック系統を備え、前記サーボ機構の適正な設定を促すため前記サーボ機構が減衰するよう前記サーボ機構に静圧を供給する請求項５に記載の燃料計量ユニット。
7. 前記計量弁の出力側と前記第１の調節器との間に結ばれる静圧検出系統を備え、前記静圧検出系統に流れがないとき、第１の調節器の適正な設定を促す請求項に５に記載の燃料計量ユニット。
8. 前記可変容量ポンプの出力と前記第２の調節器との間に結ばれるサーボ系統を備え、前記第２の調節器の応答を減衰させる請求項５に記載の燃料計量ユニット。
9. 可変容量ポンプを制御するための燃料計量ユニットであって、
   前記可変容量ポンプの吐出量を計量し、かつ、過渡現象に応答してバイパス流を生成させるため前記可変容量ポンプと流体連通している第１の手段と、
   前記バイパス流により第１の出力を生成するため前記第１の手段と流体連通している第２の手段と、
   前記可変容量ポンプの吐出量を任意に設定することで、バイパス流が一定であるようにバイパス流量を調節する、前記第２の手段の第１の出力と前記可変容量ポンプとに流体連通し、かつ、第２の出力をもつ第３の手段と、
   さらに、前記第３の手段の前後に圧力差を生成するための前記第２の手段と第３の手段の第１の出力との間を結ぶオリフィスを備え、
   定常状態条件の間、前記バイパス流が、前記第２の出力によって、前記可変容量ポンプの吐出量を維持する前記第３の手段によって調節され、もって、前記オリフィスの前後の圧力差が一定の小さなレベルに維持され、
   また、過渡条件の間、前記第２の手段の前後の第２の圧力差が前記第３の手段の前記第２の出力を調節するために変化し、もって、前記可変容量ポンプの前記吐出量を調節する、
   燃料計量ユニット。
10. 前記第１の手段が、計量弁と戻り燃料流系統である請求項９に記載の燃料計量ユニット。
11. 前記第２の手段が、前記戻り燃料流系統に流体連通している第１の調節器である請求項９に記載の燃料計量ユニット。
12. 前記第３の手段が、前記可変容量ポンプに流体連通している第２の調節器である請求項９に記載の燃料計量ユニット。
13. 前記可変容量ポンプの吐出量を決定するため前記バイパス流に効果的に結ばれる第４の手段を備える請求項９に記載の燃料計量ユニット。
14. 前記第４の手段が、サーボ機構である請求項１３に記載の燃料計量ユニット。
15. エンジンへ燃料を供給する燃料計量ユニット内の戻り燃料量を一定に維持する方法であって、
    計量弁を有する可変容量ポンプの吐出量を計量し、
    前記エンジンで追加燃料を必要とするとき、素早い応答を可能にするため前記可変容量ポンプの吐出量から戻り流中に戻り燃料流を生成し、
    前記戻り燃料流に基づいて第１の調節器を用いて前記可変容量ポンプの吐出量を前記戻り流を前記第１の調節器に接続して調節し、
    一定した戻り燃料量を維持するため調節弁を用いて前記調節器の出力を調節し、
    オリフィスによって、前記制御弁の２つの出力の間に、前記制御弁の出力を決定するため、圧力差を生成し、
    制御弁を有する可変容量ポンプの吐出量を前記制御弁の前後の圧力差に基づいて調節し、もって、エンジンが増加要求をしたときには、前記増加要求が、最初、前記可変容量ポンプの吐出量が調節によって増加し、かつ、前記戻り流が一定になるまで、減少する戻り流によって充足され、また、エンジンが減少要求をしたときには、前記減少要求が、最初、前記可変容量ポンプの吐出量が調節によって減少し、かつ、前記戻り流が一定になるまで、戻り流の増加によって充足される、過程を含む方法。
16. 前記可変容量ポンプの吐出量を決定するため前記調節弁の出力に基づいて前記可変容量ポンプに接続されたサーボ機構の位置を調節する過程を含む請求項１５に記載の方法。
17. 前記調節弁の入力が、前記第２調節器の応答を減衰させるため流動系統を介して前記可変容量ポンプの吐出側と流体連通している請求項１５に記載の方法。

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