JP2012530209A - 運動変換装置を備えるバルブ - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明によるエンジン制御バルブ(1)は、アクチュエータ(7)と、弁体(5)と、アクチュエータ(7)の回転運動を、弁体(5)の直線運動に変換する運動変換装置(9)とを備えている。運動変換装置は、弁体(5)の運動を変換するべく、均一のピッチを有する螺旋状連結手段を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の分野に関する。

具体的には、自動車のエンジンに接続されたパイプ内の流体の流れを制御するように設計されたエンジン制御バルブに関する。

回転モータにより作動されてパイプに配置されたバルブシャッターの並進運動を引き起こし、またパイプを通して流体の通路を調整することが可能なエンジン制御バルブは、公知である。これらのバルブは、カムシステムを回転可能にするギアセットと連動する電気モータを備えている。生成される並進運動により、バルブシャッターは、直線運動をするように駆動される。

本発明の目的は、制御がより容易であり、より頑強なエンジン制御バルブを提供することによって、このタイプのバルブを改良することである。

そのため、本発明は、回転アクチュエータと、バルブシャッターと、アクチュエータの回転運動をバルブシャッターの並進運動に変換するように設計された運動変換装置とを備えるエンジン制御バルブを対象とし、運動変換装置は、バルブシャッターの並進運動を駆動する一定ピッチの螺旋接続を備えている。

この構成により、運動変換装置によるバルブシャッターの並進駆動は、実質的に比例則に従う。このことは、バルブシャッターを開くためにバルブシャッターに加えられる軸方向の力は、バルブリフト、従ってアクチュエータの回転に応じて、変化することを意味し、これらの変化は、実質的に直線によって示される。これにより、バルブリフトの段階の初め（打ち勝たれるべき力が最大であるとき）から、先行技術のバルブで通常生じるようにバルブシャッターに加えられる力が著しく減少することはない。先行技術のバルブでは、バルブリフトの開始の後、力は急激に減少し（図４参照、点線で描かれた直線）、接続においてバルブのピッチは、一定ではなく、二重のスロープを有してさえいる。

本発明によるバルブは、直線的にふるまい、従って制御がより容易である変換装置を享受するものである。

バルブリフトの最初において、バルブを流れる流体の圧力は最大である。バルブリフトを引き起こすために打ち勝たれるべき力の大きさは、バルブシャッターの初期位置に直接従属し、バルブリフトの最初の時点で加えられる力が集中しないことは、最初の時点で集中し、そして急速に減少するという明らかな必要性に応じて、この力を分散するという従来の常識とは矛盾する。

このバルブは、さらに以下の特徴を、単独で、または組み合わせて、備えていることもある。
― 螺旋接続は、一定ピッチのカム通路を備える。
― 運動変換装置は、カム通路が形成される管状壁を備える。
― カム通路は、管状壁上に、互いに対向して配置される２つのトラックを備える。
― バルブは、少なくとも１つのファロアーを備え、ファロアーは、バルブシャッターに取り付けられ、カム通路と協働するように設計されている。
― 前記少なくとも１つのファロアーは、バルブシャッターに取り付けられたバーに回転するように取り付けられ、バーは、管状壁により画定された立体内に配置され、入力ホイールと協働するようになっており、入力ホイールは、回転アクチュエータにより駆動され、バーを回転させるように設計されている。入力ホイールは、直接的または間接的に、回転アクチュエータにより駆動され得るようになっている。
― 入力ホイールは、管状壁上で回転するように取り付けられている。
― 入力ホイールは、ローラベアリングを介して、管状壁上で回転するように取り付けられている。
― バルブシャッターの位置を感知する位置センサは、管状壁により画定された空間内に位置している。
― 位置センサは、直線変位トランスデューサである。直線変位トランスデューサはバルブシャッターの変位を直接的に測定するので、直線変位トランスデューサの使用は、回転センサの使用よりも、より有利である。このセンサはここでは実際、その位置が決定される要素（バルブシャッター）と直接的に協働するので、降下したり運動の変換をしたりすることなく、実質的に直線的にふるまう。先行技術のバルブでは、回転センサは、通常カムの角度位置を決定するのに使用され、カムは、バルブシャッターに作用し、前記カムの形状を考慮に入れて、バルブシャッターの位置を間接的に推定する。これらのバルブでは、直線変位トランスデューサは、実際非線形的にふるまう。「実質的に線形的にふるまう」とは、バルブの要素が、オートメーションおよびシグナルプロセシングの分野であることが意味する範囲内で、リニアシステム理論モデルのように物理的にふるまう、ということである。
― 回転アクチュエータは、実質的に直線的にふるまう電気モータを備える。
― このモータは、ＤＣモータである。
― 回転アクチュエータは、伝達手段によって運動変換装置に接続され、伝達手段は、実質的に線形的にふるまう。
― バルブは、リターン手段を備え、リターン手段は、バルブシャッターを閉位置に戻す。これらのリターン手段は、実質的に線形的にふるまう。
― 弾性リターン手段は、螺旋ねじりばねを備える。
― 回転アクチュエータからバルブシャッターまでの駆動トレーンは、実質的に線形的にふるまう要素からなっている。

本発明の別の側面は、このようなバルブシャッターと、線形モデルによってプログラムされた制御手段とのアセンブリに向けられている。

制御手段は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）のような従来の電子装置を備える場合もある。

それらは、線形モデルによってプログラムされ、このことは、バルブシャッターの位置を入力コマンドの関数として記述するモデルの伝達関数が、線形関数であるということを意味する。

図面が付された、好適で非限定的な実施例に基づく詳細な説明に照らし合わせると、本発明がよく理解されるであろう。

本発明によるバルブの斜視図である。 図１のバルブの分解図である。 図１のバルブの運動変換装置の斜視図である。 バルブシャッターに加えられる力を図１のバルブのバルブリフトの動きの関数として示すグラフである。

図１は、エンジン制御バルブ１を示しており、この例では、ＥＧＲバルブとして通常知られる排気ガス再循環バルブである。バルブ１を構成するさまざまな要素が、図２の分解図において別々に見ることができる。

バルブ１は、流体入口２と流体出口３とを備え、その間にバルブシャッター５のヘッド４が位置している。ＥＧＲバルブでは従来、バルブシャッター５が閉位置にあるとき、入口２を介して流入し出口３を介して流出する流体を、止めていた。対照的に、バルブシャッター５が広く開いているときは、流体が自由に流れるようにし、その一方、バルブシャッター５が中間位置にあるときには、流体を測定する。

バルブ１は、マウント６と運動変換装置９と伝達ホイール８とを備えている。マウント６は、ここでは電気モータ７から成るアクチュエータが取り付けられている。伝達ホイール８は、モータ７が運動変換装置９を駆動できるようにし、運動変換装置９は、伝達ホイール８の回転運動をバルブシャッター５の直線的な動きに変換する。

運動変換装置９は、全体的に管状形状を有し、その一端にはバルブシート１０を備え、その他端にはカム通路１１を備えている。代替的に、バルブにバルブシートがない場合もある。この例では、カム通路１１は、運動変換装置９の管状壁１２に形成された２つのトラックを備えている。バー１３は、バルブシャッター５に固定され、ファロアー１４が設けられ、カム通路１１に従うように設計されている。

運動変換装置９は、管状部１７に取り付けられた歯付部１６を備える入力ホイール１５と協働し、管状部１７は、ローラベアリング１８を介して運動変換装置９上で回転するように取り付けられている。

弾性リターン手段１９は、ここでは螺旋ねじりばねの形で設けられ、入力ホイール１５を、限界角度位置に戻し、限界角度位置は、この例ではバルブシャッター５の閉位置に対応する。

モータ７は、従ってこの場合、バルブシャッター５を開くためにリターン手段１９の作用に抗するように作動される。

位置センサ２０は加えて、バルブシャッター５がいつの時点でも軸方向の動きに沿って測定されるようにし、ばねの手段（図示せず）によって、フィーラ２１を介してバー１３と接触している。センサ２０は従って、フィーラ２１に関しては直線的にふるまう。

サポート６に取り付けられた保護キャップ２２（図２参照）は、バルブ１の回転部を保護する。

モータ７は、コンピュータ手段（図示せず）の従来の方法である組み込み制御により、電力が供給され駆動される。

モータ７が回転しているとき、モータ７は伝達ホイール８（および設けられる可能性のある他のギアセット）を駆動し、伝達ホイール８（および設けられる可能性のある他のギアセット）は同様に入力ホイール１５を回転させる。入力ホイール１５はまた、相補的形状（図１参照）を通じてバー１３の回転を駆動し、バー１３が軸方向の並進運動の影響を受けるようにしている。これにより、ファロアー１４がカム通路１１（固定されている、運動変換装置はサポート６に固定されている）に沿って回転し、バー１３とバルブシャッター５との軸方向の共同並進運動が生じ、バルブシャッター５が開いたり閉じたりする。

図４では、運動変換装置９は、ここではバルブ１の外側に図示される。この図では、入力ホイール１５は角度位置にあり、角度位置は、
― バー１３の角度位置に対応し、
― カム通路１１にあるファロアー１４の位置に対応し（トラックの端）、
― バルブシャッターの位置に対応する（閉位置）。

カム通路１１は、バルブシャッター５が開くときに加えられる力が、実質的にリニアとなるように構成されている。

従って運動変換装置９のふるまいは、線形システムと非常に似通っている。線形システムは、線形の（一次の）オペレータを入力シグナルに当てるシステムモデルである。線形システムは、通常の非線形の場合よりもかなり単純な特徴およびプロパティを、典型的に示す。

これらのリニアプロパティにより、システムの制御性が向上する。

バルブシャッターに加えられる軸方向の力は、バルブシャッター５の軸方向の動きに沿って、直線的または非直線的に変化する。曲線２３は、バルブシャッター５に加えられる軸方向の力をその軸方向の動き（バルブリフト）の関数として表示しており、従って、実質的に直線である。図４では、この曲線２３は実線で示され、一方、先行技術のバルブについての従来の曲線２４は、点線で示されている。

モータ７の同じ回転が、バー１３の角度の変化に直接対応する。カム通路１１とファロアー１４との間の協働により、バルブシャッター５に加えられる軸方向の力の変化は、従って実質的に一定であり、モータ７の動作回転範囲の全体にわたって同一である。

図４の例では、バルブシャッター５に加えられる軸方向の力の変化は、一定であるだけでなく、非常に小さい。例として、バルブリフトの最初の時点の力（図４の点２５）は４２０Ｎであり、一方、バルブリフトの最後の時点の力（図４の点２６）は、３８０Ｎである。これは、バルブシャッター５のバルブリフトの動き全体にわたって、力の変化が約１０％であることを示す。比較例として、先行技術のバルブの力の変化の大きさの指標は、１０００％である（図４参照）。

曲線２３は従ってここでは、直線であるだけでなく、ほぼ水平でもある。

カム通路１１は、本例では、管状壁１２に向かい合って（直径方向に互いに反対に）配置された２つのトラックで構成され、これらのトラックのそれぞれは、ここでは管状壁１２に形成された開口スロットである。スロットの形状は、管状壁１２に沿って延びる螺旋である。一定変化の軸方向のバルブリフトの力を得るために、この螺旋は、この例では一定の螺旋ピッチを有する（図３参照）。

従って、運動変換装置９があることにより、所定の角度を通じたモータ７の回転は、バルブシャッター５の位置がいずれであってもバルブシャッター５に同じ変化の力を生じさせるという意味で、開かれたときのバルブ１のふるまいは、実質的に線形である。この変化もここでは最小限に減少されるので、所定の角度を通じたモータ７の回転により、バルブシャッター５の位置に関わりなく、バルブシャッター５に実質的に同じ力が加えられる。

さらに、運動変換装置９の実質的に線形のふるまいは、駆動トレーンの他の部品によって補われることもあり、駆動トレーンの他の部品は、モータ７からバルブシャッター５に延び、同様に好適に実質的に線形にふるまう。

特に好適な本例の実施例は、この駆動トレーンに、実質的に線形にふるまう要素のみを含む。従ってこの駆動トレーンは、満足できる結果を伴う線形モデルとして、モデル化が可能である。この線形モデルは、バルブを制御するのに選択された電子デバイスに組み込まれる。

モータ７はとりわけこの場合ＤＣモータであり、このことは、実質的に線形的にふるまうことを意味する。

モータ７の回転を入力ホイール１５に伝達するギアの全ても、実質的に線形的にふるまう。このことは、ギアホイール（この例ではホイール８、１５）の歯が、前記ホイールの動作周囲に等しく分散されていることを意味する。

摩擦も非線形成の原因である。回転ベアリング１８はここでは摩擦を減少させ、システムがより線形システムとしてふるまうようにしている。

リターン手段１９を構成する螺旋ねじりばねは、ここではまた、実質的に直線的にふるまう。このことは、入力ホイール１５の回転は、この回転により生じたトルク（伝達ホイールに加えられたトルク）に直接比例することを意味する。このふるまいは、実質的に一定のばね定数を有するばねを選択することにより得られる。

モータ７からバルブシャッター５までの駆動トレーン全体は従って、実質的に直線的にふるまい、より制御可能となる。

バルブシャッター５の位置についての指令がモータ７と対応するコマンドであるので、コンピュータ手段（図示せず）へのモータ制御用の作業負荷は、ここでは減少する。コンピュータ手段は、線形方程式を扱い、これにより、処理能力が要求されず、反応性が良くなり、より丈夫になる。モータの制御は、従ってこの場合リニアであり、言い換えると、一次の線形モデルにより実現される。

バルブ１の他の特徴は、本発明の範囲から離れることなく考えられ得る。特に、モータ７から入力ホイール１５までのギアセットは、いくつものギアまたはピニオンを含み得る。

バルブシャッターは、並進運動をする部材を使用して、流れを制御（開く、閉じる、および／または測定する）する、あらゆる部品であり得る。

１ バルブ
２ 流体入口
３ 流体出口
４ ヘッド
５ バルブシャッター
６ サポート
７ 電気モータ
８ 伝達ホイール
９ 運動変換装置
１０ バルブシート
１１ カム通路
１２ 管状壁
１３ バー
１４ ファロアー
１５ 入力ホイール
１６ 歯付部
１７ 管状部
１８ 回転ベアリング
１９ リターン手段
２０ 位置センサ
２１ フィーラ
２２ 保護キャップ

Claims (17)

1. エンジン制御バルブ（１）であって、回転アクチュエータ（７）と、バルブシャッター（５）と、運動変換装置（９）とを備え、運動変換装置（９）は、回転アクチュエータ（７）の回転運動をバルブシャッター（５）の並進運動に変換するように設計されている、エンジン制御バルブ（１）において、
   運動変換装置（９）は、バルブシャッター（５）の並進運動を駆動するための一定ピッチの螺旋接続を備えていることを特徴とする、エンジン制御バルブ（１）。
2. 螺旋接続は、一定ピッチのカム通路（１１）を備えていることを特徴とする、請求項１記載のエンジン制御バルブ。
3. 運動変換装置（９）は、管状壁（１２）を備え、管状壁（１２）にはカム通路（１１）が形成されていることを特徴とする、請求項２記載のエンジン制御バルブ。
4. カム通路（１１）は、２つのトラックを備え、２つのトラックは、管状壁（１２）上に互いに対向して配置されていることを特徴とする、請求項３記載のエンジン制御バルブ。
5. 少なくとも１つのファロアー（１４）を備え、ファロアー（１４）は、バルブシャッターに取り付けられ、カム通路（１１）と協働するように設計されていることを特徴とする、請求項３または４記載のエンジン制御バルブ。
6. 前記少なくとも１つのファロアー（１４）は、バルブシャッター（５）に取り付けられたバー（１３）に回転するように取り付けられ、バー（１３）は、管状壁（１２）により画定された立体内に配置され、入力ホイール（１５）と協働するようになっており、入力ホイール（１５）は、回転アクチュエータ（７）により駆動され、バー（１３）を回転させるように設計されていることを特徴とする、請求項５記載のエンジン制御バルブ。
7. 入力ホイール（１５）は、管状壁（１２）に回転するように取り付けられていることを特徴とする、請求項６記載のエンジン制御バルブ。
8. 入力ホイール（１５）は、回転ベアリング（１８）を介して、管状壁（１２）に回転するように取り付けられていることを特徴とする、請求項７記載のエンジン制御バルブ。
9. バルブシャッター（５）の位置を感知する位置センサ（２０）は、管状壁（１２）により画定された空間内に位置していることを特徴とする、請求項３〜８のいずれか１項に記載のエンジン制御バルブ。
10. 位置センサ（２０）は、直線変位トランスデューサであることを特徴とする、請求項９記載のエンジン制御バルブ。
11. 回転アクチュエータは、実質的に直線的にふるまう電気モータ（７）を備えていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のエンジン制御バルブ。
12. 電気モータ（７）は、ＤＣモータであることを特徴とする、請求項１１記載のエンジン制御バルブ。
13. 回転アクチュエータ（７）は、実質的に線形的にふるまう伝達手段によって、運動変換装置（９）に接続されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のエンジン制御バルブ。
14. バルブは、リターン手段（１９）を備え、リターン手段（１９）は、バルブシャッターを閉位置に戻し、実質的に線形的にふるまうことを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のエンジン制御バルブ。
15. 弾性のリターン手段は、螺旋ねじりばね（１９）を備えていることを特徴とする、請求項１４記載のエンジン制御バルブ。
16. 回転アクチュエータ（７）からバルブシャッター（５）までの駆動トレーンは、実質的に線形的にふるまう要素からなっていることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のエンジン制御バルブ。
17. アセンブリであって、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のエンジン制御バルブ（１）と、線形モデルにプログラムされた制御手段とを備えている、アセンブリ。

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