Hydraulic pump with variable flow and variable pressure and its electronic control unit

本発明は、全体として、可変流ポンプの出力の制御に係り、更に詳細には、内燃エンジンやトランスミッション等の油圧力制御のためのオイルポンプ用制御システムに関する。

内燃エンジンの可動部品を適切に潤滑し、液圧出力を適切に提供するのが要求される。 代表的には、エンジンで使用されるオイルポンプは、エンジンのクランクシャフト（例えば直接駆動式、チェーン駆動式、ギヤ駆動式、等）と作動的に関連しており、比較的簡単な固定圧力調整システムを有する。 これらのシステムは一般的には適当であるけれども、幾つかの欠点がある。 例えば、特定の／所与の作動状態では、実際の吐出圧力が、エンジンによって必要とされる圧力に対して十分には制御されない場合がある。 特に限定する目的ではない例として、現在入手可能なポンプ技術は、通常は、エンジンの全ての作動状態において高い油圧力を提供する。 これらのエンジン作動状態の幾つかでは、低い油圧力が適当である。

一般に譲渡された米国特許第６，８９６，４８９号には、可変容量形ベーンポンプを制御するための機械式液圧装置が示してある。 同特許に触れたことにより、この特許に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。 これにより、エンジンの油圧力が更に最適に制御される。 しかしながら、更に、エンジンの必要及び／又は変量に応じて、更なる制御を行うのが望ましい。

従って、エンジン制御ユニットを使用することによって、可変流ポンプ（例えば、ベーンポンプ）を制御する方法及び制御するためのシステムが必要とされている。 エンジン制御ユニットは、可変流ポンプの流量を直接的に及び／又は間接的に制御するためにソレノイドを操作する。

本発明の全体としての教示によれば、可変流液圧ポンプ用の制御システムが提供され、このシステムでは、エンジン制御ユニットからの電気入力がソレノイドを動作させ、エンジンの油圧力を広範な作動条件で所望のレベルに制御する。

第１実施形態によれば、エンジンの液圧回路のオイルの流れ及び油圧力を制御するため、可変流ポンプを制御するための制御システムを備えたポンプシステムにおいて、（１）ポンプ部材と、（２）ポンプ部材が発生した流れを制御できる作動部材と、（３）ソレノイドバルブ部分及び圧力調整バルブ部分を含むソレノイドバルブシステムとを含み、ソレノイドバルブシステムは、ポンプと作動的に関連しており、圧力調整バルブ部分は、ポンプ部材が発生した流れを選択的に制御するため、作動部材と作動的に関連している、ポンプシステムが提供される。

第２実施形態によれば、エンジンの液圧回路のオイルの流れ及び油圧力を制御するため、可変流ポンプを制御するための制御システムを備えたポンプシステムにおいて、（１）ポンプ部材と、（２）ポンプ部材が発生した流れを制御できる作動部材と、（３）ソレノイドバルブ部分及び圧力調整バルブ部分を含むソレノイドバルブシステムと、（４）ソレノイドバルブ部分と作動的に関連した電子式制御ユニットとを含み、ソレノイドバルブシステムは、ポンプ部材と作動的に関連しており、圧力調整バルブ部分は、ポンプ部材が発生した流れを選択的に制御するため、作動部材と作動的に関連しており、電子式制御ユニットは、オイルの流れ及び油圧力を制御するため、ソレノイドバルブ部分に入力制御信号を提供するように選択的に作動できる、ポンプシステムが提供される。

第３実施形態によれば、エンジンの液圧回路のオイルの流れ及び油圧力を制御するため、可変流ポンプを制御するための制御システムを備えたポンプシステムにおいて、（１）ポンプ部材と、（２）ポンプ部材が発生した流れを制御できる作動部材と、（３）ソレノイドバルブ部分及び圧力調整バルブ部分を含むソレノイドバルブシステムと、（４）ソレノイドバルブ部分と作動的に関連した電子式制御ユニットとを含み、ポンプ部材は、ベーンポンプであり、アクチュエータ部材は、ベーンポンプの偏心リングの少なくとも部分であり、ベーンポンプ及び偏心リングは、エンジンへのオイルの流れを制御するように作動し、ソレノイドバルブシステムは、ポンプ部材と作動的に関連しており、圧力調整バルブ部分は、ポンプ部材が発生した流れを選択的に制御するため、作動部材と作動的に関連しており、電子式制御ユニットは、オイルの流れ及び油圧力を制御するため、ソレノイドバルブ部分に入力制御信号を提供するように選択的に作動できる、ポンプシステムが提供される。

本発明の１つの特徴によれば、ソレノイドバルブ部分と作動的に関連した電子式制御ユニットを含み、この電子式制御ユニットは、オイルの流れ及び油圧力を制御するため、ソレノイドバルブ部分に入力制御信号を提供するように選択的に作動できる。

本発明の１つの特徴によれば、電子式制御ユニットは、液圧回路の一部と作動的に関連しており且つ回路の一部の圧力を監視し、電子式制御ユニットは、ポンプ部材が発生した流れを制御するため、液圧回路の一部内の圧力条件に応じて、ソレノイドバルブ部分への入力信号を発生する。

本発明の１つの特徴によれば、電子式制御ユニットは、エンジン速度、エンジン温度、エンジン負荷、及びこれらの組み合わせからなる群から選択的されたエンジン状態を監視し、これらに基づいて油圧力を選択的に調節する。

本発明の１つの特徴によれば、ポンプ部材は、ベーンポンプであり、作動部材は、ベーンポンプの偏心リングの少なくとも部分であり、ベーンポンプ及び偏心リングは、エンジンへのオイルの流れを制御するように作動する。

本発明の１つの特徴によれば、ソレノイドバルブシステムは、ハウジング部材内に配置されている。
本発明の１つの特徴によれば、ソレノイドバルブシステムは、供給圧力を制御圧力まで低下するように調整するように作動できる。

本発明の１つの特徴によれば、ソレノイドバルブシステムは、ソレノイドバルブ部分に供給された電流に応じて、供給圧力を制御圧力まで低下させるように調整するように選択的に作動できる。

本発明の１つの特徴によれば、第１の付勢可能部材が作動部材と作動的に関連しており、第１の付勢可能部材は、ポンプ部材が発生した流れを作動部材によって制御するように選択的に作動できる。

本発明の１つの特徴によれば、圧力調整バルブ部分は、流れ制御スプールバルブを含み、流れ制御スプールバルブは、ソレノイドバルブ部分と作動的に関連しており、流れ制御スプールバルブは、作動部材への流れを制御するように選択的に作動できる。

本発明の１つの特徴によれば、第２の付勢可能部材が流れ制御スプールバルブの第１端と作動的に関連しており、第２の付勢可能部材は、通常の作動中、流れ制御スプールバルブに作用する圧力を維持し、低供給圧力状態が存在する場合に、流れ制御スプールバルブに戻し圧力を提供する。

本発明の１つの特徴によれば、油圧力は、作動部材に油圧力を加えることによって、液圧回路の複数の位置で制御できる。
本発明の１つの特徴によれば、複数の位置は、ポンプ内の箇所、エンジンへのポンプの吐出箇所、エンジンの主オイル通路内の箇所、及びこれらの箇所の組み合わせからなる群から選択される。

本発明の１つの特徴によれば、油圧力を液圧回路内の複数の位置からソレノイドバルブシステムに供給できる。
本発明の１つの特徴によれば、複数の位置は、ポンプ内の箇所、エンジンへのポンプの吐出箇所、エンジンの主オイル通路内の箇所、及びこれらの箇所の組み合わせからなる群から選択される。

本発明の１つの特徴によれば、ソレノイドバルブ部分は、電気的作動、液圧による作動、及びこれらの組み合わせからなる群から選択された技術によって選択的に作動できる。
本発明の１つの特徴によれば、ソレノイドバルブシステムは、可変力ソレノイドを含む。

本発明は、図面の説明及び本発明の詳細な説明を、添付の特許請求の範囲と関連して見たとき、更に良く理解されるであろう。
本発明は、詳細な説明及び添付図面から更に完全に理解されるであろう。

本発明の以下の説明は、単なる例であって、本発明、その用途、又は使用を限定しようとするものではない。
添付図面全体を、及び特に図１及び図２を参照すると、可変容量形ポンプ要素又は可変出力ポンプ要素のいずれかを備えたオイルポンプ４０を制御するためのシステム及び方法が提供される。 本発明では、他の種類のベーンポンプ、ギヤポンプ、ピストンポンプ等の、しかしこれらに限定されないこの他の種類のポンプシステムを使用できるということは理解されるべきである。

本発明のエンジンシステムには、少なくとも、潤滑回路１０、オイルサンプ２０、エンジン制御ユニット（即ちＥＣＵ）又はコンピュータ３０、及びオイルをオイルサンプ２０から引き出してこれを潤滑回路１０に高圧で送出するオイルポンプ４０が設けられている。

本発明の一つの特徴によれば、潤滑回路１０は、少なくとも、オイルフィルタ１１と、ロッドとカムシャフトとを連結するエンジンのクランクシャフトを支持するジャーナルベアリング１２とを含み、可変圧力トランスジューサ１３及び／又はオイルクーラー１４を含んでいてもよい。 潤滑回路１０は、更に、随意であるが、当該技術分野で周知のように、ピストン冷却ジェット、チェーンオイラー、可変カムタイミングフェーザー、及びシリンダ消勢システム等の部品を含んでいてもよい。

本発明の一つの特徴によれば、ＥＣＵ３０は、計測したエンジン速度３１、エンジン温度３２、及びエンジン負荷、トルク又はスロットル３３用の電機入力部を含む。 ＥＣＵ３０は、更に、トランスジューサ１３からの計測した油圧力３４用の電気入力部を備えていてもよい。 ＥＣＵ３０は、更に、電気制御信号をオイルポンプ４０に送出するための出力部３５を有する。

本発明の一つの特徴によれば、オイルポンプ４０は、吸引通路４２と、吐出通路及びマニホールド４３とを持つハウジング４１を備えている。 オイルポンプ４０は、更に、圧力逃がしバルブ４４及び／又はオイルポンプ４０の内部で使用するために吐出オイルのクリーニングを行うための内部オイルフィルタ４５を備えていてもよい。

本発明の一つの特徴によれば、オイルポンプ４０は、可変流ポンプ要素５０を備えており、この要素は、更に、偏心リング５１等の位置決め可能な要素を含む。 偏心リング５１の位置により、ポンプ要素５０が所与の駆動速度で吐出する理論流量が決まる。 編心リング５１は、ハウジング４１と関連して、偏心リング５１の両側に２つの制御チャンバを形成する。 これらのチャンバは、偏心リング５１の一つの領域に制御力を及ぼす所期の目的のため、圧力が制御された流体を収容する。 第１チャンバ、例えば減少チャンバ５２は、可変流ポンプ要素５０の流量を減少させるために偏心リング５１に加えられる圧力を収容し、第２チャンバ、例えば増大チャンバ５３は、可変流ポンプ要素５０の流量を増大するために偏心リング５１に加えられる圧力を収容する。 ハウジング４１と、偏心リング５１との間にばね５４が追加に位置決めされている。 このばねは、可変流ポンプ要素５０の流量を増大できるように、偏心リング５１に力を加える。 減少チャンバ５２には、オイルポンプ吐出マニホールド４３からチャンネル５６を介して、又は潤滑回路１０の下流の何らかの他の箇所（例えば、通常は主オイル通路１５）からチャンネル５５を介してのいずれかで油圧力を供給できる。

本発明の一つの特徴によれば、オイルポンプ４０は、更に、ソレノイドバルブモジュール６０を含む。 このバルブモジュールは、ソレノイドバルブステージ７０及び圧力調整バルブステージ８０を含む。

本発明の一つの特徴によれば、ソレノイドバルブステージ７０は、ソレノイド７１と、ばね７２と、ハウジング７３とを含む。 ソレノイド７１は、電線でできたコイル７４と、鉄アーマチュア７５とを含み、コイル７４を通過する電流が電磁場を発生し、この電磁場がアーマチュアを圧縮ばね７２に抗して移動させ、ハウジング７３のバルブ穴７６を開放し、これによってバルブ穴７６を通して流体を流すことができるように形成されている。

本発明の一つの特徴によれば、圧力調整バルブステージ８０は、スプール８１、ばね８２、及びスプール８１を半径方向で拘束するためのボア８３（即ち、ハウジング７３内のボア）を形成する領域を含む。 スプール８１は、その外径に２つの環状溝を有する。 即ち、ハウジング供給ポート８６と連続的に流体連通したスプール供給ポート８４と、ハウジング制御ポート８７と連続的に流体連通したスプール制御ポート８５とを備えている。 ハウジング供給ポート８６には、オイルポンプ吐出マニホールド４３からフィルタ４５及びチャンネル６２を介して、又は潤滑回路１０の下流の何らかの他の箇所（例えば、通常は主オイル通路１５）からチャンネル６１を介してのいずれかで、油圧力を供給できる。 スプール供給ポート８４は、更に、夫々のオリフィス穴８８を介して流体チャンバ８９と連続的に流体連通している。 スプール制御ポート８５は、更に、穴９１を介して流体チャンバ９０と連続的に流体連通している。 スプール８１は、流体チャンバ９０内の制御圧力、ばね８２、及び流体チャンバ８９内の供給圧力によって結果的に及ぼされた力によって、ボア８３内で軸線方向に位置決めされる。

スプール８１の軸線方向位置が変化すると、スプール制御ポート８５と、ハウジング供給ポート８６及びハウジングドレンポート９２の両方との間を流体連通するための開放した領域が増大したり減少したりする。 その結果、スプール制御ポート８５及び通路８７内の制御圧力（例えば、図３の参照番号６１を参照されたい）が、供給通路８６内の圧力（例えば、図３の参照番号６２を参照されたい）よりも或る程度低い所定のレベルに調整される。 この低い圧力レベルは、ばね８２のばね係数及びこのばねの組み立て長さ、及びスプール８１の各端の面積によって決定される。 低い圧力レベルは、通路８７を通して増大チャンバ５３に供給され、ここで、ばね５４とともに偏心リング５１に作用を及ぼし、可変流ポンプ要素５０の流量を増大する。 低い圧力レベルは、ばね５４とともに、偏心リング５１についての基準力として機能し、その結果、減少チャンバ５２内の圧力がこれらの力を超えると、減少チャンバ５２内の圧力が偏心リング５１を移動し、ポンプの流れを減少し、これにより、減少チャンバ５２内の圧力を、この圧力が増大チャンバ５３内の圧力及びばね５４と力的に均衡するまで減少させる。

逆に言うと、減少チャンバ５２内の圧力が基準圧力よりも低い場合には、増大チャンバ５３内の圧力及びばね５４により偏心リングを移動させ、ポンプの流れを増大させる。 圧力調整バルブステージ８０は、本発明の一つの特徴に従って、全部で３つの流体連通ポート、即ち供給ポート８４と、制御ポート８５と、ドレンポート９２とを持つように示してある。

図３は、縦軸のソレノイドバルブ制御圧力６１（例えば、ポート８５及び通路８７内の圧力）を、横軸の供給圧力６２（例えば、ポート８４及び通路８６内の圧力）及びＥＣＵ電気出力ライン／ワイヤ３５を通したソレノイドバルブ７０に供給された電流の両方の関数としてグラフで示す。

本発明の一つの特徴によれば、曲線には３つの特徴的なゾーン、例えば、ゼロ制御圧力ゾーン６３、オフセット制御圧力ゾーン６４、及び可変制御圧力ゾーン６５がある。 ゼロ制御圧力ゾーン６３は、ソレノイドバルブ７０に供給された全ての電流について同じである。 オフセット制御圧力ゾーン６４から可変制御圧力ゾーン６５までの移行は、ソレノイドバルブ７０に供給される電流が増大するとき、減少する供給圧力で生じる。 圧力調整ステージ８０は、供給圧力６２と制御圧力６１との間に特性オフセット６６を有する。 本発明の作動を特定の理論で括ろうとするものではないが、このオフセット６６は、ゼロ制御圧力ゾーン６３があるために生じるものと考えられる。 これは、供給圧力６２が未だオフセット６６のレベルに達しておらず、そして制御圧力６１が負（例えば真空）ではあり得ないためである。

供給圧力６２が低い場合には、スプール８１の端部に流体チャンバ８９から制限通路８８を介して作用する供給圧力６２以上の圧力をばね８２が作用することにより、スプール８１を右方に保持する。 これにより、供給ポート８４と制御ポート８６との間の流体連通領域を閉鎖し、制御ポート８６とドレンポート９２との間の流体連通領域を開放する。 供給圧力６２が増大するにつれて、この供給圧力により、スプール８１をばね８２に抗して左方に移動し、最終的には、制御ポート８６とドレンポート９２との間の流体連通領域を閉鎖する。 その時点で、スプール８１と供給ポート８４から制御ポート８６までのハウジングボア８３との間の漏れによって、圧力が制御ポート８６内で上昇し始める。 供給圧力６２が上昇し続けにつれて、スプール８１がこの圧力により、供給ポート８４と制御ポート８６との間の流体連通領域を開放する点まで移動し、これにより、制御圧力６１を供給圧力６２のレベルまで上昇させることができる。 その時点で、ばね力８２は、流体チャンバ９０、例えば通路９１を介して連通したチャンバ内の制御圧力による力とともに、流体チャンバ８９内の供給圧力による力以上になり、スプール８１を右方に移動させる。 スプール８１は、均衡位置に達する。 この均衡位置では、制御圧力による力は、供給圧力による力よりも、ばね８２によってスプール８１に加えられた力の量だけ小さく、これによって、オフセット制御圧力ゾーン６４での特性オフセット６６が決定される。

供給圧力６２が上昇し続けるにつれて、流体チャンバ８９内の圧力がこれに従って上昇し、最終的には、ソレノイドのアーマチュア７５をハウジング７３に当てた状態に保持するばね７２に打ち勝ち、これによってバルブ穴７６を開放し、供給圧力６２がこれ以上上昇しないようにする。 バルブ穴７６が開放しており、制限通路８８を通る流体流れが制限されている場合には、流体チャンバ８９内の圧力は、もはや、供給ポート８４のところでの供給圧力６２と等しくなく、この圧力以下に低下している。 ＥＣＵ３０が電気出力部３５を介して電流をソレノイドコイル７４に選択的に送ったとき、ソレノイドアーマチュア７５もまた、結果的に発生した電磁場によって、ばね７２に抗して右方に押圧される。 これは、更に、流体チャンバ８９内の圧力を減少させ、これによって、制御圧力６１を減少させるように作用する。 ばね７２は、電流が増大するとバルブの開放度が増大するように、ソレノイドバルブシステムに比例特性を提供し、例えば可変力ソレノイドを提供する。 制御圧力６１は、通路８８を通る流れが制限されているために供給圧力６２から減少した流体チャンバ８９内の圧力に合わせて特性オフセット６６を維持する。

本発明の一つの特徴によれば、オイルポンプ４０は、ＥＣＵなしで作動できる。 これは、図３の第３作動ゾーン６５に示すように、ソレノイドバルブモジュール６０が、電力がない場合でも、幾らかの圧力調整作用を発揮するためである。

本発明の一つの特徴によれば、オイルポンプ４０は、ＥＣＵ３０によって、開放ループ制御モードで作動できる。 これは、ＥＣＵ３０は、潤滑回路１０内の油圧力を、トランスジューサ１３によって油圧力を計測しなくても、電気出力部３５を通してソレノイド７１に送られた電流の関数として、ＥＣＵ３０の内部「参照」表から或る程度確認できるためである。

本発明の一つの特徴によれば、オイルポンプ４０は、ＥＣＵ３０によって、閉ループモードで作動できる。 閉ループモードでは、電気出力部３５を通してソレノイド７１に送られる電気信号を、ＥＣＵ３０にプログラムされたソフトウェア論理制御、及びトランスジューサ１３によって計測された潤滑回路１０内の油圧力に従って調節することによって、油圧力を積極的に制御する。 ＥＣＵ３０は、更に、潤滑回路１０でのオイル要求の上昇を予測できる。 これは、ポンプと、可変カムタイミングフェーザーやシリンダ消勢システム等の、オイルを消費するエンジンサブシステムとを同時に作動することによって行うことができる。 ＥＣＵ３０は、本発明により、計測されたエンジン速度３１、エンジン温度３２、及び／又はエンジン負荷３３を含むがこれらに限定されない任意の周知の状態に応じて、潤滑回路１０について比較的高い又は低い圧力を選択することによって、圧力の影響を受け易い特定のエンジンサブシステムを選択的に作動させることができる。

本発明の一つの特徴によれば、オイルポンプ４０は、上述の３つの作動モードの要素を組み合わせることによって、混合制御モードで作動できる。 限定するものではない例として、通常のパラメータの範囲外の状態では、オイルポンプ４０が、ＥＣＵなしで、ポンプ自体で調整でき、次いで開放ループ制御を使用して油圧力を迅速に所望の値近くにした後、閉ループ制御を使用して正確に所望の油圧力にするのが有用である。

本発明の説明は単なる例示であり、及びかくして本発明の範囲から逸脱しない変更は、本発明の範囲内に含まれる。 このような変更は、本発明の精神及び範囲から逸脱するとはみなされない。

図１は、本発明の概略的教示による可変容量形ポンプシステムの液圧回路の概略図である。

図２は、本発明の第１実施形態によるポンプ要素要素の断面図である。

図３は、本発明の第２実施形態によるソレノイドバルブモジュールの性能特性を示すグラフである。