JP5314036B2

JP5314036B2 - 流体作動機械を動作させる方法

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Publication number: JP5314036B2
Application number: JP2010532434A
Authority: JP
Inventors: クトラー，オンノ; ライ，ケン・キン−ホ
Original assignee: Danfoss Power Solutions ApS
Current assignee: Danfoss Power Solutions ApS
Priority date: 2007-11-01
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2028-10-29
Also published as: CN101910562A; KR101523800B1; EP2055945A1; EP2055945B8; US8197224B2; JP2011502229A; US20100296948A1; CN101910562B; WO2009056140A1; KR20100093542A; EP2055945B1

Description

本発明は、周期的に容積が変化する少なくとも１つの作動チャンバと、高圧流体接続部と、低圧流体接続部と、作動チャンバを高圧流体接続部及び／又は低圧流体接続部に接続する電気作動式弁とを含み、電気的に調整された前記弁のうちの少なくとも１つの作動パターンが、流体作動機械の作動条件に応じて選択されるように構成された流体作動機械を動作させる方法に関する。本発明は、さらに、容積が周期的に変化する少なくとも１つの作動チャンバと、高圧流体接続部と、低圧流体接続部と、作動チャンバを高圧流体接続部及び／又は低圧流体接続部に接続する少なくとも１つの電気作動式弁と、少なくとも１つの電子コントローラ・ユニットとを含む流体作動機械に関する。

流体作動機械は、一般に、流体を吐出するのに、又は、モータ作動モードにおいて流体を用いて流体作動機械を駆動するのに用いられる。「流体」という用語は、気体及び液体の両方に関連する場合がある。当然、流体は、気体と液体の混合物に関連するもの、さらには、気体であるか液体であるかを判別することができない超臨界流体に関連する場合もある。

特に、こうした流体作動機械は、流体の圧力レベルを増大させなければならない場合に用いられる。例えば、こうした流体作動機械は、空気圧縮機又は油圧ポンプとして構成することができる。

一般に、流体作動機械は、周期的に容積が変化する１つ又はそれ以上の作動チャンバを含む。通常、周期的に変化する容積の各々について、作動チャンバには、流体入口弁及び流体出口弁が設けられる。

伝統的に、流体入口弁及び流体出口弁は、受動型弁である。特定の作動チャンバの容積が増加するとき、作動チャンバの容積増加により生じる差圧のために、その流体入口弁が開き、流体出口弁が閉じる。作動チャンバの容積が再び減少する位相の間においては、差圧の変化により、流体入口弁が閉じ、流体出口弁が開く。

流体作動機械を改良するための比較的新しい有望な手法は、デジタル容積型ポンプ又は可変容積型ポンプとしても知られている、いわゆる総合的調整型油圧ポンプである。例えば、こうした総合的調整型油圧ポンプは、欧州特許第ＥＰ０４９４２３６Ｂ１号又は国際特許第ＷＯ９１／０５１６３Ａ１号により周知である。これらのポンプにおいては、受動型入口弁に代えて、電気作動式入口弁が用いられる。受動型出口弁も電気作動式出口弁に置き換えられることが好ましい。弁を適切に制御することにより、全ストロークポンプ作動モード、空動サイクルポンプ作動モード（アイドル・モード）、及び部分ストロークポンプ作動モードを達成することができる。さらに、入口弁及び出口弁の両方が電気作動式である場合には、ポンプを油圧モータとして用いることもできる。ポンプが油圧モータとして作動される場合には、全ストロークのモータ作動も、部分ストロークのモータ作動も可能である。

こうした総合的調整型油圧ポンプの主な利点は、従来の油圧ポンプと比較して効率が高いことである。さらに、弁が電気作動式であるので、総合的調整型油圧ポンプの出力特性を非常に迅速に変更することができる。

総合的調整型油圧ポンプの流体流量出力を所定の要求量に適合させるために、当技術分野において幾つかの手法が周知である。

例えば、一定時間のみ、総合的調整型油圧ポンプを全ストロークポンプ作動モードに切り換えることが可能である。総合的調整型油圧ポンプがポンプ作動モードで動作するときには、高圧流体リザーバが流体で満たされる。一定の圧力レベルに達すると、総合的調整型油圧ポンプがアイドル・モードに切り換わり、流体流量の要求量が、高圧流体リザーバにより供給される。高圧流体リザーバが一定の低い閾値レベルに達すると、総合的調整型油圧ポンプが再び作動状態に切り換わる。

しかしながら、この手法は、比較的大きい高圧流体リザーバを必要とする。そうした高圧流体リザーバは高価であり、大きい容積を占め、非常に重いものである。さらに、ある程度の出力圧力のばらつきが生じる。

今のところ、総合的調整型油圧ポンプの出力流体流量を所定の要求量に適合させるための最も進んだ提案が、欧州特許第ＥＰ１５３７３３３Ｂ１号に記載されている。ここでは、アイドル・モードと、部分ストロークポンプ作動モードと、全ストロークポンプ作動モードとの組み合わせを用いることが提案されている。アイドル・モードにおいては、その作動サイクル中、それぞれの作動チャンバからの有効な吐出は行なわれない。全ストロークモードにおいては、それぞれのサイクル内で流体を高圧側に吐出するために、作動チャンバの使用可能容積の全部が用いられる。部分ストロークモードでは、それぞれのサイクル内で流体を高圧側に吐出するために、使用可能な容積の一部分だけが用いられる。機械を通る流体の時間平均有効流量が所定の要求量を満たすように、幾つかのチャンバの間、及び／又は、幾つかの連続するサイクルの間に異なるモードが配分される。

既に知られているこれらの制御方法に加えて、異なる基本制御方式を利用することもできる。実際に、本発明者らは、幾つかの付加的な基本制御方式を既に考案している。こうした付加的な基本制御方法が、以下に詳細に説明される。

従来、総合的調整型油圧ポンプは、特定の基本的制御方式を選択し、これを総合的調整型油圧ポンプの作動条件の全範囲に採用する形で制御されていた。これまで、総合的調整型油圧ポンプの制御の改善は、既存の制御方式を修正することによって、又は、新しい基本的制御戦略を導入し、それぞれの考えを総合的調整型油圧ポンプの作動条件の全範囲に適用することによって行われていた。例えば、欧州特許第ＥＰ１５３７３３３Ｂ１号に説明される制御方法は、総合的調整型油圧ポンプの全ての作動条件に適用される。

もちろん、総合的調整型油圧ポンプの作動条件の全範囲にわたって特定の基本的制御方式を実施することは、簡単明瞭で比較的容易である。また、こうした総合的調整型油圧ポンプが、既にかなり良好に動作することを認めざるを得ない。

しかしながら、これまでに提案された方法は、依然として、欠点とある程度の制限をもっている。主要な問題は、圧力脈動の問題である。特に特定の作動条件下では、流体作動機械の流体出力流量に非常に大きな変動を生じることがある。これにより、望ましくない圧力脈動がもたらされる。こうした圧力脈動は、総合的調整型油圧ポンプによって動力供給される油圧機械の操作者に認識可能である。例えば、操作者は、油圧シリンダの始動・停止挙動（「引っ掛かり」効果）に気付くことがある。圧力脈動は、摩耗の増大、最終的には油圧回路の構成部品の破損をもたらすことさえある。

別の問題は、時間応答性、すなわち、流体流量に対する要求量が変化した後、その流体流量出力を調整するために流体作動機械が必要とする時間である。この時間遅延は、特に特定の作動条件下において、非常に長くなることがある。当然、機械の操作者が要求量を変更した後に、かなりの時間待たなければならないことは、望ましくない。

一例として、欧州特許第ＥＰ１５３７３３３Ｂ１号に説明の方法をさらに説明する。この方法によれば、部分ストロークポンプ作動について、前もって定められた特定の容積比率が選択される。実際の適用のために、欧州特許第ＥＰ１５３７３３３Ｂ１号の出願人は、次の容積比率、すなわち百分比で１６．６７％（分数で１／６）、を選択した。この制御方法が、約１５％より下の領域における流体流量要求量に適していることを認めることにする。しかしながら、流体流量要求量が、例えば２％など非常に低い場合には、２つの部分ストロークポンプ作動におけるパルス間の時間間隔が依然としてかなり大きいものとなる。また、１６．６７％よりわずかに高い領域、例えば１７％の流体流量要求量においても、状況はかなり悪い。ここでは、１６％の部分ストロークポンプ作動サイクルで定常的にポンプ作動を行ない、この過程において、非常に大きい時間間隔で全ストロークポンプ作動を挿入することによって、流体流量要求量を達成することができる。また、この方式において部分ストロークポンプ作動を断念し、全ストロークポンプ作動周期のみを用いて要求量を満たすことも可能である。２つの連続するポンプ作動周期間の時間間隔は、はるかに小さくなるであろう。しかしながら、顕著な脈動は依然として生じる。

欧州特許第ＥＰ０４９４２３６Ｂ１号国際特許第ＷＯ９１／０５１６３Ａ１号欧州特許第ＥＰ１５３７３３３Ｂ１号

従って、本発明の目的は、改善された流体流量出力特性を示す、総合的調整型の流体流量機械を動作させる方法を提供することである。さらに、適切な流体作動機械が提案される。

請求項１による方法及び請求項１２による流体作動機械が、課題を解決する。

課題を解決するために、電気作動式弁を作動させるための複数の作動方式が用いられ、かつ、流体作動機械の異なる作動条件に対して適切な作動方式が選択されるように、前述の形式の流体作動機械を動作させる方法を修正することを提案する。

既述の課題を克服しようとする試みにおいて、本発明者らは、総合的調整型油圧ポンプについての既知の作動方式の改善に取り組むことから始めた。これを行う過程で、本発明者らは、幾つかの修正を思い付き、さらに、総合的調整型油圧ポンプについての以前は知られていなかった幾つかの作動方式をさらに開発した。その過程で、本発明者らは、驚くべきことに、単一の作動方式が流体作動機械の全ての作動条件の下で良好な流体流量出力特性をもたらすように、単一の作動方式を最適化することは、不可能ではないにしても、非常に困難であることを認識した。その代わり、単一の作動方式の各々は、通常、流体作動機械の異なる作動条件の１つ又は幾つかの区間においては良好な性能を示すが、別の領域（作動条件の区間）においては性能が悪くなる。さらに驚くべきことに、本発明者らは、異なる作動方式が良好な性能を示す領域が、必ずしも同じではないことも認識した。従って、流体作動機械の可能な作動条件の領域の各々において適切な作動方式を選択することにより、流体作動機械の流体出力特性を改善することができる。このように異なる作動方式の組み合わせられた流体出力特性は、単一の作動方式がこれまで提供できたものより、はるかに良好なものとなる。

当然ながら、異なる作動方式により、作動条件の異なる領域において良好な結果を実現するためには、まず、複数の異なる基本作動方式を開発することが必要であった。特に、総合的調整型油圧ポンプの制御方法についての知識が、事前にあまりにも限られていたため、このことが必要であった。

本発明は、油圧ポンプだけに用い得るものではないことに留意すべきである。むしろ、流体作動機械が油圧モータとして用いられる場合にも使用可能である。当然ながら、この場合、通常、流体流量要求量は、機械動力の要求量及び／又は高圧側での油圧流体の可用性と置き換えられる。また、この場合には、当然、ポンプ作動ストロークの概念は、モータ作動ストロークとして理解しなければならない。

流体作動機械の作動条件は、異なる流体流量要求量により少なくとも部分的に定められることが好ましい。流体流量要求量は、通常は、流体流機械を制御するための主要入力パラメータである。流体流量要求量は、通常は、流体作動機械を使用している機械の操作者により与えられる。操作者は、コマンド（例えば、ジョイスティック、ペダル、スロットル、レバー、エンジン速度等）を一定のレベルに設定することにより、流体流量要求量を選択することができる。従って、流体流量要求量は、通常は、最も変化するパラメータである。しかしながら、異なるパラメータが作動条件を定めることもある。例えば、流体流機械の駆動速度（回転軸の１分間当たりの回転数）、流体作動機械と同じ機械動力源によって駆動される他の構成部品により消費される機械動力、油圧オイルの温度、圧力、機械動力の可用性等を、代わりに、及び／又は付加的に入力パラメータとして用いることができる。

前述の作動方式のうちの少なくとも１つは可変部分ストローク方式であることが好ましい。この可変部分ストローク方式は、部分ストロークポンプ作動パルスの連続するシリーズを用いることにより実現することができる。このシリーズにおいては、実際の流体流量要求量に応じて、個々のポンプ作動サイクルにおける吐出比率(pumping fraction)を選択することができる。吐出比率の変化は、通常は、入口弁の作動開始角度（作動角度、作動時間、開時間）を適切に変えることにより行われる。

可変部分ストローク方式は、低流体流量要求量及び／又は高流体流量要求量に特に有用である。これらの領域においては、可変部分ストローク方式は、パルス間の時間間隔が最小となる状態で、最も滑らかな流体流量出力を与えることができる。低流体流量要求量の領域についての一つの評価として、０から１０％までの時間を用いることができる。しかしながら、流体流量要求量の０から５、６、７、８、９、１１、１２、１３、１４、１５、１６．７（すなわち１／６）、２０、２５、３０、３３．３％（すなわち、１／３）、又は３５％までの時間を用いてもよい。高流体流側では、同様に、６５、６６．７（すなわち、２／３）、７０、７５、８０、８３．３（すなわち、５／６）、８５、８６、８７、８８、８９、９０、９１、９２、９３、９４、９５から１００％まで変わるように、時間を等比的に選択することができる。さらに、重要な点として、１／３、１／４、１／５、１／６・・・及び２／３、３／４、４／５、５／６，・・・
（すなわち、ｎ＝３，４，．．．であるとき、１／ｎ及び（ｎ−１）／ｎ）
とすることもできる。

低流体流量要求量領域の上限及び／又は高流体流量要求量領域の下限は、中程度の流体流量要求量領域において、流体入口弁を通過する流体の速度が非常に速くなる可能性があるときに、流体入口弁を閉じなければならないという事実に基づいて定め得ることに言及しなければならない。流体入口弁を通過する流体の速度は、特に、ポンプの幾何学的な構成、ポンプの駆動速度、及びシリンダの作動位相によって決まる。特に、流体流機械がピストン及びシリンダ式であり、高速（ｒｐｍ）で用いられているとき、及び／又は作動位相が下死点後約９０°である場合に、高速の流体速度が発生することになる。こうした領域において入口弁を閉じることにより、弁の応力が増加し、及び／又は、騒音の発生が増加する。

さらに、極低流体流量所要求量の場合には、可変部分ストローク方式を除外することも可能である。理論的には、この極低流体流量所要要求量の領域においてさえも、可変部分ストローク方式は、依然として可能な限り最も滑らかな流体流を供給することができる。しかしながら、本発明者らは、驚くべきことであるが、可変部分ストローク方式の適用が、極低流体流量要求量の領域においては問題があり得ることを見出した。すなわち、可変部分ストローク方式は、高周波数において小さいポンプ作動ストロークの脈動流を生じさせるためである。結果としてもたらされる圧力脈動は、ホース及びアキュムレータのような構成部品を通って減衰される。しかしながら、より高い脈動周波数は、ホースのようなより剛性の構成部品においては、より多くの振動を誘発する。従って、これらの構成部品は、その用途としては典型的ではない振動に耐えることになるので、これら構成部品内での内部摩擦により熱が発生する。熱発生の増大による第２の付加的な影響は、この領域における流速が非常に低いため、熱を十分に迅速に取り去ることができないことである。これにより、過剰な熱が蓄積され、非常に高温になり、ホースのような幾つかの構成部品が破壊することにもなりかねない。ホース内で発生した熱は、圧力変化率に比例し、それ自体が圧力リップルの振幅及び周波数の両方の関数であることを理解すべきである。すなわち、

であり、ここで、Ｑ_Hoseはホースで発生した熱であり、ｐ_peak-to-peakはピークからピークまでの圧力リップルであり、ｆは圧力リップルの周波数である。従って、極低流体流領域においては、以下で説明されるように、例えば、混合されたパターン変調方式等の、異なるポンプ作動（モータ作動）方式を用いることが好ましい。このことにより、通常、より大きい圧力変化がもたらされるが、圧力リップルの周波数は、はるかに低い周波数で生じるため、構成部品の過熱が防止される。極低の流体流量要求量領域は、０から１、２、３、４、５、６又は７％までの時間として定めることができる。

作動方式のうちの少なくとも１つは、混成パターン変調方式とすることが有利な結果をもたらす。ここでは、時間平均で、実際の流体流量出力が流体流量要求量に対応するように、異なる吐出容積比率の少なくとも２つのポンプ作動サイクルのシリーズを組み合わせる。当然、０％の吐出比率（アイドル・ストロークのポンプ作動サイクル）及び／又は１００％の吐出比率（全ストロークポンプ作動サイクル）をこの目的のために用いることもできる。アイドル・ストロークのポンプ作動サイクル、全ストロークポンプ作動サイクル、及び１６％の容積比率の部分ストロークポンプ作動サイクルの混成が用いられる場合には、欧州特許第ＥＰ１５３７３３３Ｂ１号に説明される方法と等しくなる。しかしながら、少なくとも特定の領域内では、流体作動機械の作動条件に応じて、部分ストロークポンプ作動サイクルの容積比率を変えることが、ここで提案される。流体作動機械の作動条件に応じて変えることは、部分ストローク・パルスの比較的単純な所定のシーケンスにより動的に行われることが好ましい。混成ターン変調方式を適用する領域は、中間領域、中／低領域及び／又は中高の領域であることが好ましい。

流体作動機械の異なる作動条件に対して、異なる吐出比率を有する少なくとも２つの異なる部分ストロークポンプ作動サイクルを用いることが、さらに好ましい。流体流量要求量に応じて、吐出比率を選択することができる。換言すれば、単一の吐出容積比率を有する単一の部分ストロークポンプ作動サイクル（すなわち、アイドル・ストローク又は全ストロークポンプ作動サイクルではない）のみが用いられるわけではない。代わりに、異なる部分ストロークポンプ作動サイクルに対して異なる容積比率を用いることができる。一例として、２５％及び７５％の容積比率の（及び、必要であれば、アイドル・ストローク及び／又は全ストロークポンプ作動サイクルの）シリーズを、実際の流体流量要求量を満たすように構成することができる。与えられた２５％及び７５％という数は、もちろん例であり、異なるように選択してもよい。具体的には、実際の流体流量要求量に応じて容積比率を変動させることがさらに好ましい。従って、０％から２５％までの間の吐出容積比率の区間から、より小さい数の吐出比率を選択することができる。当然、０％と、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、１６％、１６．７％、１７％、１８％、１９％、２０％、２１％、２２％、２３％、２４％、２６％、２７％、２８％、３０％、３３．３％、又は３５％との間に、区間の境界があってもよい。同様に７５％から１００％までの間の区間から、より高い容積比率を選択することもできる。区間はまた、６５％、６６．７％、７０％、７１％、７２％、７３％、７４％、７６％、７８％、７９％、８０％、８１％、８２％、８３％、８３．３％、８４％、８５％、８６％、８７％、８８％、８９％、９０％から１００％まででもよい。同様に、
ｎ＝３，４，５，６．．．であるときに、１／ｎ及び（ｎ−１）／ｎ
をそれぞれ用いることができる。

作動方式のうちの少なくとも１つが、一組の前もって計算された作動パターンであるようにすることも好ましい。作動パターンは、原則的に、無ストロークポンプ作動サイクル（アイドル・モード）、部分ストロークポンプ作動サイクル（すべての分数値の）及び／又は全ストロークポンプ作動サイクルのいずれかのシリーズとすることができる。しかしながら、流体流量要求量及び実際の吐出性能を表わす「アキュムレータ」変数を用いる作動中の計算によって、異なるポンプ作動サイクルのシリーズを求めることはできない。代わりに、異なる作動パターンのシリーズは、前もって計算される。次いで、実際の流体流量要求量に応じて、適切な事前計算された作動パターンが選択される。流体作動機械の実際の作動条件が与えられている場合には、この事前計算された作動パターンが、通常は、要求量を最も良く満たすものとなる。作動パターンを前もって計算する場合には、多くの条件を考え、作動パターンにおいて考慮することができる。例えば、作動パターンを事前計算して、滑らかな流体流量出力を実現し、結果としてもたらされる圧力脈動を最小にすることができる。さらに、作動パターンを事前計算する際に、アンチ・エイリアシング法を用いて、数値的アーチファクト（モアレ効果）を防止することができる。現在利用可能な記憶装置を用いれば、膨大な組の事前計算された作動パターンを安価に格納することができる。このようにして、異なる流体流量要求量を満たすのに十分な量の異なる事前計算された作動パターンを提供することができる。

２つの事前計算された作動パターン間にある流体流量要求量については、隣接する事前計算された作動パターンの補間を用いることが好ましい。補間を用いることにより、格納される異なる作動パターンの量を制限できるが、依然として非常に良好な微調整が可能である。通常、補間は、隣接する作動パターンが互いに時間的に続いている、適切なシリーズによって行われる。例えば、１４％の要求量及び１５％の要求量について作動パターンが格納されており、実際の流体流量要求量が１４．１％であった場合、１４．１％の要求量は、１シリーズの単一の１４％の作動パターンと、これに続く１５％の容積比率を有する９つの作動パターンの群が実行されるとき、長期的に満たすことができる。当然、流体流量要求量を、作動パターンが格納される次の値に単純に「丸める」ことも可能である。比較的膨大な数の事前計算された作動パターンが格納されている場合には、このことは特に問題ではない。

中低の流体流量要求量及び／又は中高の流体流量要求量については、混成されたパターン変調方式及び／又は事前計算された作動パターン方式を選択することが好ましい。一例として、それぞれの作動方式を、１０％から２５％まで間、及び／又は、７５％から９０％までの間の区間にある流体流量要求量に用いることができる。しかしながら、異なる数を用いることもできる。中低流体流量要求量の区間の下限及び中高流体流量要求量の区間の上限については、それぞれ、可変部分ストローク方式の低流体流量要求量の上限及び高流体流量要求量の下限を参照されたい。

中低流体流量要求量区間の上限及び中高流体流量要求量区間の下限として、１５％、１６．７％、２０％、２１％、２２％、２３％、２４％、２６％、２７％、２８％、２９％、３０％、３３．３％、３５％、４０％、６０％、６５％、６６．７％、７０％、７１％、７２％、７３％、７４％、７６％、７７％、７８％、７９％、８０％、８３．３％、及び／又は８５％を用いることもできる。ここでも、
ｎ＝３，４，５，６、７．．．であるとき、１／ｎ及び（ｎ−１）／ｎ
を用いることもできる。

中程度の流体流量要求量については、事前計算された作動パターン方式及び／又は混成パターン作動方式を選択することもまた好ましい。特にこの領域においては、部分ストロークポンプ作動サイクルのための許容される容積比率について一定の限度を考慮する場合であっても、事前計算された作動パターンが用いられていれば、作動パターンの区間の長さが非常に短い状態で、異なる流体出力流量を達成することができる。それぞれの作動方式を用いることにより、２５％から７５％までの間の区間を定めることができる。しかしながら、１０％、１５％、１６．７％、２０％、２１％、２２％、２３％、２４％、２６％、２７％、２８％、２９％、３０％、３３．３％、３５％、４０％、４５％、５５％、６０％、６５％、６６．７％、７０％、７１％、７２％、７３％、７４％、７６％、７７％、７８％、７９％、８０％、８３．３％、８５％、９０％を、区間の下限及び／又は上限として用いることができる。ここでも、
ｎ＝３，４，５，６、７．．．であるとき、１／ｎ及び（ｎ−１）／ｎ
をそれぞれ用いることができる。

個々の部分ストロークポンプ作動サイクルの許容される領域についての限度、及び／又は、異なる作動方式間の遷移についての限度が、作動条件に応じて、特に流体作動機械の回転速度に応じて選択されることが、さらに好ましい。個々の部分ストロークポンプ作動サイクルの「許容領域」は、部分ポンプ作動サイクルを選択することができる容積比率の区間である。換言すれば、「許容領域」は、流体入口弁の作動角度において、流体入口弁を通過する油圧流体の速度を考慮することにより定められる。（意図される）作動角度において入口弁を通過する油圧流体速度が特定の限度より大きい場合には、作動は禁止され、速度が限度より下である場合には許容される。流体作動機械の駆動速度（例えば、１分間当たりの回転数）は、例えば、入口弁を通過する流体の速度に影響を与える要因である。従って、流体作動機械のより低速の駆動速度においては、応力、摩耗の増加及び／又は雑音の発生の増加なしに、個々の部分ストロークポンプ作動サイクルについての許容容積比率の領域を拡張することができる。

従って、可変部分ストローク方式が適用される領域を拡張することができる。当然ながら、油圧流体の粘性の指標である、油圧流体の温度のような別のパラメータも考慮することができる。いずれにしても、異なる作動条件における流体出力特性及び流体出力特性の一貫性をさらに改善することができる。

さらに、電子コントローラ・ユニットが、前述の実施形態のうちの少なくとも１つによる方法を実行するように設計され、構成されることを特徴とする、前述の形式の流体作動機械が提案される。

流体作動機械のそれぞれの実施形態の目的及び利点は、説明した方法のそれぞれの実施形態と類似している。

６つのシリンダを有する総合的調整型油圧ポンプの概略図を示す。本発明の実施形態による異なる作動方式の構成を示す。部分ストロークポンプ作動の概念を示す。可変部分ストローク方式を用いた、低流体流量要求量領域における流体流量出力を示す。可変部分ストローク方式を用いた、高流体流量要求量領域における流体流量出力を示す。幾つかのシリンダの個々の出力流量により、どのようにして出力流が生成されるかを示す。事前計算された作動パターン方式を用いた、中低流体流量要求量領域における流体流量出力を示す。事前計算された作動パターン方式を用いた、中高流体流量要求量領域における流体流量出力を示す。オンライン作動方式を用いた、中流体流量要求量領域における流体流量出力を示す。

本発明は、添付図面と共に、本発明の実施形態の以下の説明を考慮するときにより明らかになるであろう。

図１において、６個のシリンダ３を有する、１つのバンク２を備えた総合的調整型油圧ポンプ１の例を示す。各々のシリンダは、周期的に容積が変化する作動空間４を有する。作動空間４は本質的にシリンダ部５及びピストン６により定められる。ばね７が、シリンダ部５とピストン６を互いに離れる方向に押す。ピストン６は、回転可能なシャフト９の回転軸の中心に対して芯ずれして取り付けられた偏心部８に支持されている。従来のラジアル・ピストン・ポンプ（「ウェディングケーキ」型ポンプ）の場合には、複数のピストン６が、同じ偏心部８を共有することもできる。偏心部８の軌道運動により、ピストン６が、それぞれのシリンダ部５との間で往復運動する。それぞれのシリンダ部５内でのピストン６のこの運動により、作動空間４の容積が周期的に変化する。

図１に示す例においては、総合的調整型油圧ポンプ１は、電気作動式入口弁１０と電気作動式出口弁１１とを有する形式である。入口弁１０及び出口弁１１は、両方とも、一方の側においてシリンダ３の作動チャンバ４に流体接続される。他方の側では、弁は、それぞれ、低圧流体マニホルド１８及び高圧流体マニホルド１９に流体接続される。

総合的調整型油圧ポンプ１は電動出口弁１１を含むため、これを油圧モータとして用いることもできる。ポンプ作動モード中に入口弁として用いられる弁は、モータ作動モード中は出口弁になり、逆もまた同様である。

当然ながら、設計は、図１に示す例と異なるものであってもよい。例えば、幾つかのシリンダバンク２を設けることができる。また、１つ又は幾つかのバンク２が、例えば４、５、７、及び８つのシリンダ３など、異なる数のシリンダをもつことも可能である。図１に示す例においては、シリンダ３は、シャフト９の全周内に均等に離間して、すなわち、互いに６０°の位相差で配置されているが、シリンダは不均等な間隔で配置してもよい。

当然ながら、ピストン及びシリンダからなるポンプだけが可能であるわけではない。代わりに、他の形式のポンプにも本発明の利点を利用することができる。

図２に、一例として、本発明の可能な実施形態を示す。図２では、６つの異なる作動領域Ｉ〜ＶＩが示される。異なる作動領域Ｉ〜ＶＩの意味が、表１にも列挙される。各領域内では、特定の作動方式が実行される。

現在の例においては、流体流量要求量が非常に低い場合（すなわち、流体流量要求量が０％から１０％までの間である領域Ｉ）又は非常に高い場合（すなわち、流体流量要求量が９０％から１００％までの間である領域ＶＩ）、可変部分ストローク作動方式が適用される。

可変部分ストローク方式は、図３乃至図５を用いてさらに説明される。

図３に、一個のシリンダ３の流体出力流量１２を示す。図３において、横座標上の１目盛は、回転可能なシャフト９の３０°の回転角度を示す。０°において（及び３６０°、７２０°等において）、それぞれのシリンダ３の作動チャンバ４の容積が減少し始める。初めに、電気作動式入口弁１０は、その開位置にとどまる。従って、流体は、作動チャンバ４の外側に押し出され、依然として開いている入口弁１０を通って、低圧流体マニホルドに向かってシリンダ３を出ていく。従って、時間区間Ａにおいては「受動ポンプ作動」が行われる。すなわち、シリンダ３に出入りする流体は、低圧流体マニホルド１８に戻されるだけであり、高圧側への有効なポンプ作動は行なわれない。図３に示す例では、作動開始角度１３は、回転可能シャフト９の１２０°の回転角度（及び、同様に４８０°、８４０°等の）になるように選択されている。作動開始角度１３において、電気作動式弁１０は適切な信号により閉じられる。従って、作動チャンバ４内に残っている流体は、それ以上入口弁１０を介してシリンダ３を出ることができない。従って、圧力が増大し、これにより最終的に出口弁１１が開き、流体が高圧マニホルドに向けて押される。従って、時間区間Ｂは「能動ポンプ作動」区間（「受動ポンプ作動」区間に対して）と表現することができる。ピストン６が１８０°（５４０°、９００°等）において上死点に達するとすぐに（又は、達したわずかに後に）、弁の閉鎖ばねの影響を受けて出口弁１１が閉じ、下向きに移動するピストン６により作動チャンバ４内に生じる負圧により、入口弁１０が開く。ここで、作動チャンバ４の膨張により、入口弁１０を介して油圧流体が吸入される。図３の例では、作動チャンバ４の利用可能な容積の２５％の有効なポンプ作動が行なわれる。

図４及び図５に、低要求量領域（図４）及び高要求量領域（図５）における流体流量要求量１６についての、可変部分ストローク方式を用いた流体流量出力の例を示す。横座標上には、シリンダの１つの収縮の開始を示す、いわゆる「決定点」が示される。横座標上の１目盛は、回転可能なシャフト９の回転角度６０°を表わす。

図４において、流体流量要求量１６は、２％で始まる。図４から分かるように、この流体流量要求量は、単一の部分ストローク・パルス１５のシリーズにより供給される。部分ストローク・パルス１５の各々について、生成されて高圧側に吐出される平均流量が、ポンプ容量（作動チャンバの行程容積）の２％に等しくなるように、作動開始角度１３が選択される。流体流量要求量１６は、決定点５から始まり、８％の流体流量要求量（決定点１０における）まで、ゆっくりと増加する。図４から分かるように、この作動開始角度１３は、対応して進角されるので、個々の部分ストローク・パルス１５は、流体流量要求量１６の増加に対応するより高い出力容積比率をもたらす。

図５において、流体流量要求量の尺度の上端側の状況を示す。流体流量要求量１６は、９３％の流体流量要求量で始まり、決定点１１において９８％の流体流量要求量１６まで増加する。最初は、９３％の容積比率の流体流量要求量１６は、個々の部分ストロークポンプ作動サイクル１５のシリーズによってもたらされる。初めに、個々のポンプ作動パルス１５の出力された流体の容積比率が９３％の初期流体流量要求量１６に対応するように、それぞれの作動開始角度１３が選択される。個々の部分ストローク・パルス１５は、完了するのにほぼ１８０°（すなわち、３つの決定点）を必要とするため、個々のポンプ作動パルス１５は互いに重なり合う。６個のシリンダ３の総合的調整型油圧ポンプ１を用いると（図１を参照されたい）、個々のパルス１５は、最大で３個まで互いに重なり合う。合計流体流量出力は、図５の線１４で示される。

既に述べたように、決定点１１において、流体流量要求量１６は９８％に増加する。従って、個々のポンプ作動パルス１５の作動開始角度１３は、個々のポンプ作動パルス１５の出力容積比率が、９８％の増加した流体流量要求量１６に対応するようにシフトされる。同様に、合計流体出力流量１４も増加する。

図２の流体流量要求量領域ＩＩ、ＩＩＩ及びＶにおいて（表１も参照されたい）、流体流量要求量は、事前に計算した作動パターンにより満たされる。

図６は、異なる容積比率の単一のパルス１５（全ストローク・パルス及び無ストローク／アイドル・パルスを含む）のシリーズをどのように組み合わせて、特定の合計出力流量１４を生成できるかを示す。作動パターンを選択することにより、ポンプ作動サイクル数並びに個々のポンプ作動ストローク１５のポンプ作動容積比率を変えることができ、時間平均においてほぼ任意の出力流量体流量を実現することができる。図６の合計流体出力流量１４は、必ずしも、実際の適用において生じる可能性が高い流体出力流量パターンではない。しかしながら、各々が異なる容積比率を有し、異なる時間に始まる複数のポンプ作動パルスが、どのようにして特定の形状の合計流体出力流量になるかを示している。

図７に、図２／表１の領域ＩＩについての例を示す。ここでは、流体流量要求量１６を１４％と仮定する。表１に示すように、この流体流量要求量１６は、１０％及び１６％の部分ストローク比率のシーケンスを用いて与えられる。これを達成するための非常に簡単なシーケンスは、１６％、１６％、１０％である。この基本シーケンスが完了するとすぐに、該シーケンスが反復される。この反復されるシーケンスを図７に示す。図７の基本的な特徴（すなわち、軸の表記）は、図４乃至図６におけるものと同じである。

図８に、領域Ｖ（図２、表１）の例を示す。本例においては、８０％の流体流量要求量が用いられる。図示した例において、流体流量要求量は、１６％及び９０％の部分ストローク・パルスで構成されるシーケンスにより与えられる。この要求量を満たすための可能な基本シーケンスは、
９０％＋９０％＋９０％＋９０％＋９０％＋９０％＋９０％＋１６％＋
９０％＋９０％＋９０％＋９０％＋９０％＋９０％＋１６％＋
９０％＋９０％＋９０％＋９０％＋９０％＋９０％＋９０％＋１６％＋
９０％＋９０％＋９０％＋９０％＋９０％＋９０％＋１６％＋
９０％＋９０％＋９０％＋９０％＋９０％＋９０％＋１６％
である。

この基本シーケンスは、前のサイクルが完了したとき反復される。このシーケンスを図８に示す。しかしながら、説明のために、完全なサイクルは示されない。しかしながら、依然として、個々のポンプ作動サイクル１５がどのように加算されて合計流体流量出力１４になるかを見ることができる。

図８から分かるように、決定点７と決定点８との間の時間区間において、１６％の部分ストローク・パルス２０を見ることができない。代わりに、１６％の部分ストローク・パルス２０は、決定点９と１０との間の時間区間において実行される。これは、前の行程のポンプのシリンダによる「ブロッキング」のためである。収縮するシリンダ（決定点０で始まる）の全てがポンプ作動と関係するため、いずれのシリンダも、それ以上、決定点７と決定点９との間で１６％の部分ストローク・パルスに利用することができない。こうした１６％の部分ストロークポンプ作動に利用可能である最初のシリンダは、決定点７において収縮を始めるシリンダである。実際に、このシリンダが、決定点９と決定点１０との間の時間区間において１６％部分ストロークポンプ作動パルス２０を実行する。

図２及び表１の領域ＩＶにおいては、オンライン・アルゴリズムが作動方式として用いられる。

領域ＩＶの例として、４０％の流体流量要求量が選択され、これは１６％及び７５％の部分ストロークポンプ作動のパルスにより実施されなければならない。この流体出力流量を図９に示す。単一のポンプ作動パルス１５に加えて、合計出力流量体流１４及び流体流量要求量１６、アキュムレータ１７の値を示す曲線が示される。アキュムレータ１７は可変であり、流体流量要求量１６と実際の流体流量出力１４との間の差を示す。全てのステップにおいて、流体流量要求量１６はアキュムレータ変数１４に加えられる。ポンプ作動サイクル（部分ストローク又は全ストローク）が実行される場合には、このステップにおいて、適切な値がアキュムレータ値１４から減算される。

図９に示される例について、ある時間にわたるアキュムレータ変数の変化を、表２に示す。

表２の列「決定」は、実際に決定を行ってポンプ作動サイクル（表２においては、１６％の部分ストロークサイクル及び７５％の部分ストロークサイクル）を実行した時間を表わす。実際の部分ストロークポンプ作動が遂行される時間は、ポンプの実際の設計、流体流量要求量、及び以前に実行されたポンプ作動サイクルに応じて、時間的に異なるものになる。換言すれば、前述した図８と同じ状況がここでも生じることになる。

参照番号ＤＡ１７０８ＥＰ、ＤＡ１７１８、及びＤＡ１７１９ＥＰの下で同一出願人により同じ日に出願された他の３つの出願から、付加的な情報を引き出すことができる。これらの出願の内容は、引用により本出願の開示に含められる。

１油圧ポンプ；２バンク；３シリンダ；４作動チャンバ；
５シリンダ部；６ピストン；７ばね；８偏心部；
９回転可能なシャフト；１０入口弁；１１出口弁；
１２流体出力流量；１３作動開始角度；１４合計流体出力流量；
１５部分ストローク・パルス；１６流体流量要求量；１７アキュムレータ；
１８低圧流体マニホルド；１９高圧流体マニホルド。

Claims

周期的に容積が変化する複数の作動チャンバと、高圧流体接続部と、低圧流体接続部と、前記各作動チャンバを前記高圧流体接続部及び／又は前記低圧流体接続部に接続する少なくとも１つの電気作動式弁とを含み、前記電気作動式弁の少なくとも１つの作動パターンは、流体作動機械の作動条件に応じて選択されるように構成された流体作動機械を動作させる方法であって、
前記電気作動式弁を作動させるための複数の作動方式が備えられ、前記流体作動機械の異なる作動条件に対して適切な作動方式が選択され、
前記適切な作動方式は異なる作動方式のグループから選択され、前記異なる作動方式のグループは、可変部分ストローク方式、混成パターン変調方式、事前計算された作動パターン方式を含み、
前記可変部分ストローク方式は、部分ストロークポンプ作動パルスの連続するシリーズを用いる方式であり、実際の流体流量要求量に応じて、個々のポンプ作動サイクルにおける吐出比率を選択することが可能であり、
前記混成パターン変調方式は、時間平均で、実際の流体流量出力が流体流量要求量に対応するように、異なる吐出容積比率の少なくとも２つのポンプ作動サイクルのシリーズを組み合わせる方式であり、
前記事前計算された作動パターン方式は、実際の流体流量要求量に応じて、前もって計算された異なる作動パターンのシリーズの中から適切な事前計算された作動パターンを選択する方式であり、
異なる作動方式間の遷移についての限度は、前記作動条件である流体作動機械の回転速度に応じて選択されることを特徴とする方法。
前記流体作動機械の前記作動条件は、異なる流体流量要求量により少なくとも部分的に定められることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記作動方式の少なくとも１つは、可変部分ストローク方式であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の方法。
前記可変部分ストローク方式は、低流体流量要求量及び高流体流量要求量に対して用いられることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
前記可変部分ストローク方式は、非常に低い流体流量要求量に対しては除外されることを特徴とする、請求項３又は請求項４に記載の方法。
前記作動方式の少なくとも１つは、混成パターン変調方式であることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれかに記載の方法。
異なる吐出比率を有する、少なくとも２つの異なる部分ストロークポンプ作動サイクルが、前記流体作動機械の異なる作動条件に対して用いられることを特徴とする請求項６に記載の方法。
前記作動方式のうちの少なくとも１つは、一組の事前計算された作動パターンであることを特徴とする、請求項６又は請求項７に記載の方法。
２つの事前計算された作動パターンの間にある流体流量要求量について、隣接する事前計算された作動パターンの補間が用いられることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
中低流体流量要求量及び／又は中高流体流量要求量に対して、混成パターン変調方式及び／又は事前計算作動されたパターン方式が選択されることを特徴とする、請求項６から請求項９までのいずれかに記載の方法。
中流体流量要求量に対して、事前計算された作動パターン方式及び／又は混成パターン変調方式が選択されることを特徴とする、請求項６から請求項１０までのいずれかに記載の方法。
個々の部分ストロークポンプ作動サイクルの許容領域についての限度は、作動条件である前記流体作動機械の回転速度に応じて選択されることを特徴とする、請求項１から請求項１１までのいずれかに記載の方法。
周期的に容積が変化する少なくとも１つの作動チャンバと、高圧流体接続部と、低圧流体接続部と、前記作動チャンバを前記高圧流体接続部及び／又は前記低圧流体接続部に接続する少なくとも１つの電気作動式弁と、少なくとも１つの電子コントローラ・ユニットとを含む流体作動機械であって、前記電子コントローラ・ユニットは、該電子コントローラ・ユニットが請求項１から請求項１２までのいずれか１項による方法を実行するように設計され、構成されることを特徴とする流体作動機械。