(57)【要約】本発明は、コンプレッサによって気体流れを制御するための制御方法に関する。コンプレッサにおいては、容積が吸気行程中に膨張され、気体の吸気容積が排気行程中に圧縮されかつ流出用逆止め弁（６）及び／又は動作可能出口弁（３）を介して取り出される。コンプレッサは、空圧、液圧、又は電磁作用で動作しかつ制御装置からの信号に基づいて開閉する制御可能入口弁（２）を有する。入口弁（２）は、吸気行程の少なくとも一部期間中閉じられている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容積が吸気行程中に膨張され、気体の導入容積が排気行程中に圧縮されかつ流出用逆止め弁（６）及び／又は動作可能な出口弁（３）を介して取り出されるコンプレッサによって気体流れを制御するための制御方法であって、前記コンプレッサが、空圧、液圧、又は電磁作用で動作しかつ制御装置からの信号に基づいて開閉する制御可能な入口弁（２）を有する制御方法において、前記入口弁（２）が吸気行程の少なくとも一部の期間中閉じられていることを特徴とした気体流れ制御方法。
【請求項２】
前記入口弁（２）が全吸気行程期間中閉じられていることを特徴とした請求項１に記載の気体流れ制御方法。
【請求項３】
所定の毎分回転数においてさしあたり要求された圧縮気体の量を配送するために、閉じられた吸気行程を伴うサイクルの頻度が、毎分回転数の０％と１００％との間で変化されることを特徴とした請求項１又は２に記載の気体流れ制御方法。
【請求項４】
閉じられた吸気行程を伴う各サイクル又は各連続した一連のサイクルの間で、等しい回転が実行されることを特徴とした請求項３に記載の気体流れ制御方法。
【請求項５】
前記入口弁（２）は、吸気行程から排気行程までの移行時又は移行後に閉じられることを特徴とした請求項１ないし４の任意の一項に記載の気体流れ制御方法。
【請求項６】
前記制御可能な入口弁（２）に加えてコンプレッサ（１）の入口が、流入用逆止め弁（１３）を備え、気体を後者に供給する導管が前記コンプレッサに関連されたタンク（８）内の気体圧力を制御することによって、前記逆止め弁付近又は上流に配置された閉鎖部材（１４）によって絞られるか又は閉じられることを特徴とした請求項１ないし５の任意の一項に記載の気体流れ制御方法。
【請求項７】
前記閉鎖部材（１４）は制御可能な弁であって、前記制御装置からの信号に基づいて開閉されることを特徴とした請求項６に記載の気体流れ制御方法。
【請求項８】
流出用逆止め弁（６）は別として前記コンプレッサ（１）の出口は、空圧、液圧、又は電磁作用で動作しかつ制御装置からの信号に基づいて開閉する制御可能な出口弁（３）を備えていることを特徴とした請求項１−７の任意の一項に記載の気体流れ制御方法。
【請求項９】
排気されるべき気体と前記出口弁（３）の反対側にある気体との間に圧力平衡があるとき、出口弁（３）が開かれ、後者が別のセンサ（９）によって記録された前記タンク内圧力と比較されるシリンダ圧力を記録するセンサ（１８）によって制御されることを特徴とした請求項１ないし８の任意の一項に記載の気体流れ制御方法。
【請求項１０】
前記コンプレッサ（１）と前記タンク（８）との間に延びる導管（７）は、前記コンプレッサと加圧気体を使用する機器との間の加圧気体の要求を満たすことを特徴とした請求項１ないし９の任意の一項に記載の気体流れ制御方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の気体流れ制御方法を実施するのに適したコンピュータ・プログラムを備えたことを特徴とした制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容積が吸気行程中に膨張され、排気行程中に気体の導入容積が圧縮されかつ流出用逆止め弁及び／又は動作可能弁を介して取り出されるコンプレッサにおいて気体流れを制御するための制御方法に関し、そのコンプレッサが空圧、液圧、又は電磁作用で動作されかつ制御装置からの信号に基づいて開閉する制御可能な入口弁を有している制御方法に関する。
【０００２】
この種のコンプレッサは、複数の実施例があるが、ピストン・コンプレッサが最も一般的であり、容積形コンプレッサとしばしば呼ばれる。本発明を利用にするために、コンプレッサは制御可能入口弁を持たなければならない。しかし、コンプレッサは、閉止され得る流入用逆止め弁及び制御可能な出口弁を有することが好ましい。本発明は、公知の方法に関して少ないエネルギ消費及び環境への影響で加圧気体の変化する要求に対処する。
【０００３】
本発明は、車両及び車両エンジン、燃料電池等の工業用途のための容積形コンプレッサに適用できる。
本発明は、制御装置の使用によって実用に供される。制御装置のソフトウエアは、その機能にとって決定的となる。本発明を実用化するために用いられるソフトウエアは、例えば、エンジン運転用装置等の大型制御装置の一部として適用されうる。
【０００４】
ピストン・コンプレッサは最も一般的な容積形コンプレッサであるので、本発明はピストン・コンプレッサの構造に基づく例示によって記載される。
【背景技術】
【０００５】
容積形コンプレッサ、特にピストン・コンプレッサは、一定でかつ比較的低い毎分回転数で通常は運転される。通常、入口弁及び出口弁は、高い毎分回転数で気体流れに制限的影響を与える逆止め弁である。
【０００６】
流れ制御は、通常、コンプレッサに接続されたタンク内の圧力が特定レベルよりも下がったときコンプレッサを始動することによって、また、特定圧力レベルが得られたときコンプレッサを停止させることによって、実行される。頻繁な始動、停止が大きな摩耗を生じ、エネルギを消費する。
【０００７】
別の一般的形式の制御によれば、コンプレッサに接続されたタンク内に特定の圧力が得られたとき、流入用逆止め弁への気体流れが閉止弁によって遮断され、一方、コンプレッサの運転は、気体を圧縮せずにサイクルと共に継続することを許される。タンク内の圧力が特定レベルよりも低下したとき、気体流れがもう一度許される。
【０００８】
加圧気体の要求が非常に頻繁ではないとき、最初の形式の制御が最も経済的になる。要求が更に頻繁になると、後者の形式の制御が実質的により経済的になる。しかし、気体流れの閉鎖／開放が比較的緩慢になる。このことは、気体を圧縮せずに複数のサイクルが最短の可能な遮断によって実行されることを意味する。更に、緩慢な閉鎖／開放が相当な流れ損失を生じる。したがって、タンク及びコンプレッサは、コンプレッサへの気体流れの遮断が１回のサイクルとして一時的になされる場合よりも大きい寸法でなければならない。更に、急速閉鎖／開放が流れ損失を減少する。
【０００９】
本発明は逆止め弁の場合において上述したように制限されない気体流れを生じ、空気の流れが迅速に遮断／開放され、１サイクルのような短周期中遮断される。したがって、コンプレッサ及びタンクのサイズばかりではなく、エネルギ消費及び環境への影響が、従来の方法に関して低減され得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、コンプレッサ内の気体流れを制御する方法を提供し、上述の欠点を回避し、より迅速な制御及びより均等な圧力レベルで加圧気体の変化する要求に応え、同時に従来の方法に関して少ないエネルギ消費及び環境への影響を達成することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の目的は、容積が吸気行程中に膨張され、排気行程中に気体の導入容積が圧縮されかつ流出用逆止め弁を介して取り出されるコンプレッサによって達成され、そのコンプレッサは、空圧、液圧、又は電磁作用で動作しかつ制御装置からの信号に基づいて開閉する制御可能な入口弁を有する。制御方法は、入口弁が吸気行程の少なくとも一部期間中閉じられていることを特徴としている。別の特徴は、下記の記載及び特許請求の範囲に示されている。
【００１２】
ここで、コンプレッサは、容積形コンプレッサ、特にピストン・コンプレッサとして言及される。
制御可能な入口弁、制御可能な出口弁、流入用逆止め弁、流出用逆止め弁、及び類似の表現は、前記形式の弁の多数の弁を使用するその他の可能な実施例を含むように意図されている。
【００１３】
コンプレッサが、複数のコンプレッサ、例えば、複数のシリンダ・ピストン・コンプレッサによって構成されうることも考えられる。シリンダ・ピストン・コンプレッサによって、各シリンダが個々のピストン・コンプレッサを形成し、各個々のコンプレッサが本明細書及び特許請求の範囲に基づいて動作する。
【００１４】
容積形コンプレッサの一般的な特徴は、容積が吸気行程中に膨張されることである。容積が膨張されたとき、容積は空気等の気体で満たされ、気体が弁、通常は逆止め弁を介して流れる。吸気行程の終了時点で、導入気体を包囲する容積が圧縮され、そして、気体は弁、通常は逆止め弁を介して排気される。ピストン・コンプレッサは最も一般的な容積形コンプレッサであり、ピストン・コンプレッサにおいては膨張される容積と圧縮される容積とが同じである。膨張される容積が圧縮される容積と同じではない場合には、例えば、回転容積形コンプレッサがある。ピストン・コンプレッサにおいては、ピストンが２つの死点（上方死点及び下方死点とそれぞれ呼ばれる）間をシリンダ内で移動する。上方死点から下方死点までのピストンの移動は、吸気行程中に膨張される容積（請求項１の前提要件において表されている）を生じる。上方死点から下方死点までのピストンの移動は、排気行程中に圧縮されかつ流出用逆止め弁を介して取り出されるべき容積（前記の前提要件に表されている）を生じる。
【００１５】
通常は、上方死点に配置された流入用逆止め弁及び流出用逆止め弁がある。吸気行程中にピストンが上方死点から下方死点まで移動したとき、容積はピストンと上方死点との間で膨張される。その容積は、移動中に流入用逆止め弁を介して気体で満たされる。排気行程中にピストンは下方死点から上方死点に向かって動き、ピストンと上方死点との間の容積は圧縮される。最初は、包囲された気体はどこにも行かない。したがって、圧力は、徐々に小さくなる容積内で増加する。包囲された気体の圧力が流出用逆止め弁の他方側の圧力よりも十分に高くなったとき、後者は開かれ、上方死点に向かうピストンの継続移動中に気体が排出される。吸気行程中に続く排気行程は、ここではサイクルと呼ばれる。完結したサイクルは、コンプレッサ・シャフトの１回転で遂行される。
【００１６】
背景についての上記記載を参照すれば、遮断が１サイクルのような短期間に起こるならば、重要な利益が達成される。上記記載において最初の定義による制御可能な弁の支援によって、１回の吸気行程が閉じられた入口弁と共に実行される。このことは、気体が吸気行程中に導入されないことを意味する。これは、排気行程中に気体が排出されない状態を自動的に発生する。したがって、気体流れは１サイクル中、遮断される。入口弁を閉じて実行された吸気行程は、閉じられた吸気行程と呼ばれる。
【００１７】
発明された方法を実施できるようにするために、制御可能な弁は主として制御可能な入口弁であることが要求される。しかし、それは既に存在する流出用逆止め弁は別として制御可能な出口弁を有する実施例が好ましい。制御可能な弁は、今日のコンプレッサにおける同時期の逆止め弁について可能であるよりも相当に大量の空気流れを許す。したがって、相当に高い毎分回転数が許され、今日よりも小さなピストン・コンプレッサを使用できるようになる。閉じられることができる気体導管と共に、例えば、特定圧力の特定量の空気が得られることに基づく機械的技術の支援と共に、流入用逆止め弁を適用することによって、支援機能を有する相当の利点が得られる。制御可能な入口弁及び／又は出口弁が故障しても、支援機能は働く。制御可能な入口弁の使用によって、後者は完全吸気行程（ここでは閉じられた吸気行程と呼ばれる）中、しかし吸気行程の一部期間中でもよい、閉じられている。この一部期間はサイクルからサイクルまで可変である。したがって、本発明に基づく方法は、排気行程中の流出容積を制御するために吸気行程の少なくとも一部期間中の入口弁の閉鎖に依存する。更に、閉鎖は通常の吸気行程が正常に存在するシーケンス中に起こり、また、コンプレッサが吸気行程及び排気行程の複数のその後のサイクルで動作することも明らかである。
【００１８】
制御方法の特徴付ける制御戦略によって、すなわち、閉じられた吸気行程にサイクルの頻度を使用することによって各瞬間において要求される圧縮気体量を供給し、そのときの頻度が毎分回転数の０％と１００％と間で変わるようにすることによって、顕著な経済的な運転が達成される。例えば、制御装置が頻度０％を選択した場合には、閉じられた吸気行程を伴うサイクルは実行されないが、気体は各回転時に供給される。頻度１００％においては、各サイクルが閉じられた吸気行程と共に実行される。閉じられた吸気行程を伴う頻度５０％においては、各サイクルが各二番目の回転時に実行される。閉じられた吸気行程を伴う頻度２０％においては、各サイクルは各五番目の回転時に実行される。閉じられた吸気行程を伴う頻度１０％においては、各サイクルは各十番目の回転時に実行される。したがって、閉じられた吸気行程を伴うサイクルは、例えば、各二番目、各三番目、各四番目、各五番目の回転等で実行される。残りのサイクル／回転期間中は、気体は吸気行程中に供給される。５０％と１００％との間の頻度においては、閉じられた吸気行程を伴うサイクルに、閉じられた吸気行程を伴った１、２、又はそれ以上の引き続くサイクル、一連の引き続くサイクルが直接続く。例えば、閉じられた吸気行程を伴う８０％サイクルにおいては、適切な分布が、閉じられた吸気行程を伴う４サイクルの連続シリーズ後に正常な吸気行程を伴う１サイクルを有するべきであり、次いで、閉じられた吸気行程を伴う４サイクルの別の連続したシリーズに正常な吸気行程等を伴う別の１サイクルが続く。コンプレッサに関連された加圧気体に対してタンク内の圧力レベルをできるだけ均等に保持するために、また、タンクをできるだけ小さくするために、制御装置は、一般に各サイクル間で、又は閉じられた吸気行程を伴う各連続した一連のサイクル間で同じ回転数が実行されるべきであることに特徴付けられるべきである。本発明は、正常な吸気行程を伴うサイクルの頻度を用いることによって圧縮気体の即時の要求に対処し、同じ効果をもたらすように記載されてもいる。
【００１９】
上述した頻度制御と有利に組み合わされた制御方法の別の特徴付ける制御戦略は、サイクルの使用によって圧縮気体の即時要求に対応することである。その場合のサイクルは、制御可能な入口弁が制御装置によって決定された吸気行程の一部期間中に上方死点から下方死点までのピストン経路にそうどこかで閉じられる。問題の吸気行程のこの一部は、サイクルからサイクルまで変えられる。この有利な可能性は、圧縮気体の貯蔵用タンクをできるだけ最小にするか、又はコンプレッサから気体が用いられるべき機器に加圧気体を誘導する導管によってタンクを形成させる。圧縮気体用貯蔵空間を最小にする可能性は、変化する消費に追従させて所定の瞬間において消費される量とほぼ同じ圧縮気体の量を実質的に同時に可変的に提供することで達成される。
【００２０】
流れ損失がかなり減少するために、制御可能な入口弁、及び可能ならば出口弁が所定の立体容量に対して相当に増加された流れ容量を許容し、後者は、ピストン・コンプレッサにおいてピストンの２つの死点間でシリンダの内容積と呼ばれる。このことは、例えば、ピストン・コンプレッサが車両エンジンのエンジン・シャフトに接続されうること、ならびに、毎分回転数が直接に又は歯車減速によってエンジンの毎分回転数に従うことを意味する。車両を含む実施例の場合には、気体と言う用語は空気に置き換えられるべきである。例えば、ピストン・コンプレッサは、エンジンの燃焼のための、エンジン及び／又はコンプレッサそれ自体の制御可能な空圧作動弁のための、空気支援燃料噴射のための、ブレーキ装置等のための、加圧空気をつくるように用いられてもよい。特徴は、エンジン運転による場合における高い毎分回転数及び圧縮空気の大きい要求によって、入口弁はピストンが下方死点に到達した後に閉じられ、その結果、ピストンがその下方死点に到達する以前に閉じる場合に比べて、圧縮されるべき大量の空気が供給され得ることである。エンジン運転時のコンプレッサの能力を増加する別の特徴ある方法は、既存の空気導管に空気供給をするためのコンプレッサの導管を、排気ガスターボ又はスクリュウ・コンプレッサによって発生された加圧空気を有するエンジンに接続することである。既存のインタークーラーの下流の接続は、好ましいであろう。空気フィルタの下流でかつ任意の既存のスロットルの上流で空気供給用車両エンジン導管への接続は、空気が空気清浄フィルタを通過するので、空気を圧縮する機器がなくても、適切である。
【００２１】
エンジン運転時に特に有用な上述した支援機能は、本発明の特徴でもある。必要ならば、それは圧縮空気又は常に手近にある任意の他の気体を提供するための特定の能力となる特徴を画定する。支援機能は、任意の制御可能な弁が故障したときに、上述したように有利である。しかし、加圧空気のための圧力タンク又は導管に残留圧力がない場合に、それは、例えば、電気始動エンジンによる、空気支援燃料噴射を備えたエンジンの始動のために使用されるべき空気圧を即時に確立する可能性を発生させる。例えば、空圧作動される制御可能弁がある場合に、同様なことが適用される。流入用逆止め弁及び流出用逆止め弁に大流量能力がそれぞれあり、流入用逆止め弁付近に又は上流に配置された制御可能な、空圧、液圧、又は電磁作用で作動される閉鎖部材がある場合に、閉じられた吸気行程を伴うサイクル又は制御可能閉鎖部材が問題の吸気行程の一部（上方死点から下方死点までのピストン経路のどこか。その一部は制御装置によって決定される。）期間中閉じられているサイクルの頻度を実行するために、支援機能の原理が前以て必要となる。
【００２２】
上述したように、本方法は、流入用制御可能な弁が空圧、液圧、又は電磁作用で動作できる実施例を含んでいる。その方法は、制御可能な出口弁が、排出されるべき気体と出口弁の反対側の気体との間で得られる圧力平衡に関連して開くことに特徴がある。ピストンと出口弁との接触を回避することが重要であり、したがって、好適な実施例は、出口弁がシリンダからの方向、すなわち、圧縮及び排気中のピストンの移動方向と同じ方向に開くことに特徴付けられている。出口弁が反対方向、すなわち、ピストンの移動方向に向かって開くならば、ピストンの接触を回避するために出口弁が十分に早く閉じなければならない。この場合、制御可能な出口弁と流出用逆止め弁との組合せが有利であり、また、さもなければ残留するであろう圧縮気体の量を排気できるようにするために重要である。しかし、十分に小さい距離が出口弁の完全な閉鎖に対して存在するきに、極めてわずかなピストンの接触は、有害ではなく、良好な排気の利点を得ることができる。しかし、これは、出口弁がピストンとまったく同じ接近（ａｃｃｅｓｓ）／方向にそって動かされることを暗示する。
【００２３】
上記及び下記の記載から、特別の目的のために開発されたコンピュータ／プログラムを含む、必要なセンサ及びその他の構成部品を有する電磁作用に基づく制御装置が絶対的に必要であることは明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、ピストン１を備えたコンプレッサ・シリンダを示す実施例の概略図面である。ピストン１は吸気行程中の移動状態にあり、また、空気（又は任意の他の気体）が入口弁２を介して流れつつある。入口弁２及び閉じられた出口弁３は、空圧、液圧、又は電磁作用で動作する制御可能な弁によって構成される。回路４は、弁２及び３を作動するように用いられる。制御ユニット５は、回路ならびに回路に接続された弁２及び３を信号制御するための回路４に有効に接続される。圧縮された空気が、導管７を介してタンク８へ気体６の流出を行う出口弁３及び／又は逆止め弁を介して移送される。
【００２５】
制御ユニット５に有効に接続された、タンク８内のセンサ９によって、制御ユニット５にはタンク内の圧力についての連続した情報が提供される。目盛り付き円弧（ｇｒａｄｕａｔｅｄ  ａｒｃ）１２に配置され、コンプレッサ・シャフト１１に装着され、そして制御ユニット５に有効に接続されたセンサ１０が、毎分回転数及びシリンダ内のピストン位置を計数するために制御ユニット５へ連続情報を配送する。制御ユニット５は、制御可能弁２、３がいつ開くべきか又は閉じるべきかを決定する。コンプレッサ・シャフト１１は、例えば、電動機又は車両のエンジンへ接続される（その接続は図示されていない）。
【００２６】
入口弁２を介して供給された空気は、好ましくは、例えば、車両の排気ガスタービンによって圧縮される。有利なことには、圧縮用空気は、車両内に存在してもよいインタークーラー（その接続は図示されていない）の下流で取り出される。閉鎖部材１４を装備した流出用逆止め弁６及び流入用逆止め弁１３は、支援機能を果たす。閉鎖部材１４は、導管１５を介してタンク８に接続される。タンク８内の圧力が所定レベルよりも減少したならば、閉鎖部材１４は、例えば、機械的スプリング１６の作用によって開くので、圧縮されるべき空気が流入用逆止め弁１３を介して供給される。この支援機能は、制御可能な入口弁２が閉じられるか又は機能不能になっている間に、加圧空気が所定量まで減少され得ることを意味する。このことは、例えば、燃料噴射又はブレーキ装置用の空気支援部材によって車両を少なくともある程度進めることを可能にするために、重要である。例えば、制御可能弁２、３が空圧作動弁によって構成されかつタンク８内の圧力が前記弁を作動するにはあまりにも低すぎる場合には、流入用逆止め弁１３に関連された閉鎖部材１４が閉じる以前に、タンク内の圧力がスプリング１６によって得られた弁２、３の作動のために十分になるように、支援機能が設けられる。
【００２７】
制御可能な弁２、３が空圧で作動される弁であるとき、弁２、３とタンク８との間に空気用導管（図示せず）がある。例えば、車両の支援装置用の加圧空気は、接続部１７を介してタンク８から取り出される。記載された支援機能のためには、小さな逆止め弁１３、６のみが要求される。大流量の能力の要求は、制御可能な弁２、３によって満たされる。圧縮行程中に流入用逆止め弁１３が閉鎖部材１４の作動によって閉じられたとき、出口弁３はタンク８内の空気とシリンダ１内で圧縮された空気との圧力平衡によって開く。制御ユニット５に有効に接続されたセンサ１８は、シリンダ圧力を記録する。この圧力は、出口弁３がクランクの正しい角度位置において作動されたことを点検するために、制御ユニットによってタンク内の圧力と比較される。
【００２８】
本発明の別の実施例によれば、流出用の小さな逆止め弁６及び制御可能出口弁３が、１又はそれを超える流出用逆止め弁と置き換えられる。本発明の更に別の実施例によれば、流入用逆止め弁１３及び制御可能入口弁２が、流入用の大きな逆止め弁と置き換えられる。閉鎖部材１４が、弁２、３と同様に、１サイクルの短時間に圧縮されるべき空気流れを遮断できる急速制御可能部材と置き換えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ピストンを備えたコンプレッサを例示する概略図である。
【図１】
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【国際調査報告】
2005535822.tif 000004
2005535822.tif 000005