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機関用流体供給装置の計量機構 - ナブテスコ株式会社
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発明の名称 機関用流体供給装置の計量機構
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−85214(P2007−85214A)
公開日 平成19年4月5日(2007.4.5)
出願番号 特願2005−273202(P2005−273202)
出願日 平成17年9月21日(2005.9.21)
代理人 【識別番号】100089196
【弁理士】
【氏名又は名称】梶 良之
発明者 加藤 英雄 / 藤原 真
要約 課題
容易に計量シリンダにおける位置制御を行うことができ、気筒内への流体供給量のより正確な制御が可能な機関用流体供給装置の計量機構を提供する。

解決手段
計量シリンダ11は、圧力源ユニット3と噴射弁4との間に配置されて内部にピストン24が配設され、検出器27でピストン位置が検出される。計量室26及び圧力室25はピストン24で区画され、圧力室25は圧力源ユニット3に接続され、計量室26は電磁弁12を介して圧力源ユニット3に接続されるとともに噴射弁4に接続される。ピストンの移動速度は吐出時よりも蓄積時の方が遅く設定される。制御装置14は、ピストン位置検出結果と流体供給量目標値に基づいて比例積分制御により電磁弁12の開閉動作を制御して蓄積時のピストン位置を制御する。
特許請求の範囲
【請求項1】
噴射用の流体を供給する圧力源ユニットと機関の気筒に形成される噴射口を介して前記圧力源ユニットから供給される流体を噴射して前記気筒内に供給する噴射弁との間において、前記気筒内への流体供給量を制御する機関用流体供給装置の計量機構であって、
前記圧力源ユニットと前記噴射弁との間に配置されて内部にピストンが配設される計量シリンダと、
前記計量シリンダに設けられて前記ピストンにより区画される圧力室及び計量室であって、前記圧力源ユニットに接続される前記圧力室と、前記噴射弁に接続されるとともに電磁弁を介して前記圧力源ユニットに接続される前記計量室と、
前記ピストンの位置を検出する検出器と、
前記検出器での前記ピストンの位置の検出結果に基づく検出信号と前記流体供給量の目標値に対応する指令値とが入力される制御部と、
前記ピストンの移動速度を前記計量室から前記噴射弁へと流体を供給する吐出時よりも前記計量室に流体を蓄積する蓄積時の方が遅くなるように設定する遅延手段と、
を備え、
前記制御部は、前記蓄積時に前記検出信号及び前記指令値に基づいて比例積分制御により前記電磁弁の開閉動作を制御することで、前記蓄積時の前記ピストンの位置を制御することを特徴とする機関用流体供給装置の計量機構。
【請求項2】
前記制御部は、前記指令値と前記検出信号とに基づいて演算される差分を算出するとともに、当該差分の値がゼロ値に近いときにその差分の値をよりゼロ値に近い値になるように変換する不感帯設定器を備え、前記不感帯設定器を経た出力に基づいて比例積分制御により前記電磁弁の開閉動作を制御することを特徴とする請求項1に記載の機関用流体供給装置の計量機構。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、噴射用の流体を供給する圧力源ユニットと機関の気筒に形成される噴射口を介して圧力源ユニットから供給される流体を噴射して気筒内に供給する噴射弁との間において、気筒内への流体供給量を制御する機関用流体供給装置の計量機構に関する。
【背景技術】
【0002】
噴射用の流体を供給する圧力源ユニットと機関の気筒に形成される噴射口を介して圧力源ユニットから供給される流体を噴射して気筒内に供給する噴射弁との間において、気筒内への流体供給量を制御する機関用流体供給装置の計量機構として、計量シリンダを用いるものが考えられる。しかし、計量シリンダを用いるものであっても、各気筒と圧力源ユニットとの間の距離は各気筒によって異なっており、また、流体圧力源ユニットの圧力変動の影響等もあるため、各気筒によっても更には各気筒における各噴射のタイミングによっても流体供給量にばらつきが生じてしまうという問題がある。
【0003】
このような流体供給量のばらつきを抑えるものとして、電子制御される電磁弁を使って燃料噴射を行うディーゼル機関に適用されたものが知られている(特許文献1参照)。特許文献1に記載されているディーゼル機関は、共用油圧源と増圧部とを有する油圧駆動手段を備え、増圧部の増圧ピストンを共用油圧源により駆動する。そして、シリンダ毎の増圧ピストンリフトの動作に係る信号を一定周期でサンプリングし、電磁弁駆動期間中のサンプリング値の合計を算出するとともに、全気筒のサンプリング値の合計が揃うようにその合計の平均値を設定値とし且つ各気筒のサンプリング値の合計を制御量とする比例積分制御を行って電磁弁の駆動時間を調整し、燃料噴射量の気筒間のばらつきを抑えようとするものである。
【0004】
【特許文献1】特開2004−263617号公報(第4−5頁、第1−3図)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記特許文献1に記載のディーゼル機関においては、増圧部の増圧ピストンを共用油圧源で駆動することで流体を供給する際における電磁弁の駆動時間を調整するものであり、高速で噴射される流体の供給速度に追従して流体供給量を制御する高速演算処理が必要となる。このため、そのような高速処理が可能な制御部を用いる必要があるという制約が生じ、また、制御の調整自体も困難になってしまう虞がある。
【0006】
本発明は、圧力源ユニットとこの圧力源ユニットから供給される流体を噴射して気筒内に供給する噴射弁との間にて気筒内への流体供給量を制御する機関用流体供給装置の計量機構において、上述した問題点を解決することを目的とする。即ち、本発明は、上述した実情に鑑みることにより、容易に計量シリンダにおける位置制御を行うことができ、気筒内への流体供給量のより正確な制御が可能な機関用流体供給装置の計量機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段及び効果】
【0007】
本発明に係る機関用流体供給装置の計量機構は、噴射用の流体を供給する圧力源ユニットと機関の気筒に形成される噴射口を介して前記圧力源ユニットから供給される流体を噴射して前記気筒内に供給する噴射弁との間において、前記気筒内への流体供給量を制御する機関用流体供給装置の計量機構に関する。そして、上述の目的を達成するために、前記圧力源ユニットと前記噴射弁との間に配置されて内部にピストンが配設される計量シリンダと、前記計量シリンダに設けられて前記ピストンにより区画される圧力室及び計量室であって、前記圧力源ユニットに接続される前記圧力室と、前記噴射弁に接続されるとともに電磁弁を介して前記圧力源ユニットに接続される前記計量室と、前記ピストンの位置を検出する検出器と、前記検出器での前記ピストンの位置の検出結果に基づく検出信号と前記流体供給量の目標値に対応する指令値とが入力される制御部と、前記ピストンの移動速度を前記計量室から前記噴射弁へと流体を供給する吐出時よりも前記計量室に流体を蓄積する蓄積時の方が遅くなるように設定する遅延手段と、を備え、前記制御部は、前記蓄積時に前記検出信号及び前記指令値に基づいて比例積分制御により前記電磁弁の開閉動作を制御することで、前記蓄積時の前記ピストンの位置を制御することを特徴とする。
【0008】
この構成によると、遅延手段によって蓄積時のピストンの移動速度が遅くなるように設定されるとともに、制御部によって蓄積時に比例積分制御により電磁弁の開閉動作を制御して蓄積時のピストンの位置が制御される。このため、計量室に蓄積される供給量が正確に制御される。また、制御部は、ピストン位置の検出信号と指令値とに基づいて比例積分制御を行ってピストン位置を制御するため、指令値が変化したときも、計量室に蓄積される供給量をその指令値の変化に速やかに追従させることができる。従って、容易に計量シリンダにおける位置制御を行うことができ、気筒内への流体供給量のより正確な制御が可能な機関用流体供給装置の計量機構を提供することができる。
【0009】
また、本発明に係る機関用流体供給装置の計量機構は、前記制御部は、前記指令値と前記検出信号とに基づいて演算される差分を算出するとともに、当該差分の値がゼロ値に近いときにその差分の値をよりゼロ値に近い値になるように変換する不感帯設定器を備え、前記不感帯設定器を経た出力に基づいて比例積分制御により前記電磁弁の開閉動作を制御することが望ましい。
【0010】
この構成によると、実際に供給した供給量が流体供給量の目標値に近づいたときにその差分の値をゼロ値に近い値になるように変換してその出力に基づいて制御できるため、オーバーシュート等の発生によりハンチングが生じ制御系が不安定になってしまうことを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しつつ説明する。本発明の実施形態に係る機関用流体供給装置の計量機構は、噴射用の流体を供給する圧力源ユニットと機関の気筒に形成される噴射口を介して圧力源ユニットから供給される流体を噴射して気筒内に供給する噴射弁との間において、気筒内への流体供給量を制御する場合に広く適用することができる。なお、本実施形態においては、窒素酸化物(NOx)の排出を低減する観点からディーゼルエンジンの気筒内に注水するための機関用流体供給装置の計量機構として用いられる場合を例にとって説明する。
【0012】
図1は、本発明の一実施の形態に係る機関用流体供給装置の計量機構1(以下、単に「計量機構1」という)が用いられる機関用流体供給装置2の回路構成図であり、図2は、計量機構1を説明するために示す機関用流体供給装置2の模式図である。図1及び図2に示すように、機関用流体供給装置2は、計量機構1、圧力源ユニット3、噴射弁4を備えている。
【0013】
圧力源ユニット3は、噴射弁4からの噴射用の水(流体)を供給する水圧源であって、ポンプ5とアキュームレータ6とを備えている。ポンプ5は、図示しないタンクに接続されており、このタンクから吸い込んだ水を昇圧してアキュームレータ6へと吐出する。ポンプ5から吐出された水は、アキュームレータ6に送水され、このアキュームレータ6にて、ポンプ5の吐出圧に近い高圧の状態で水が貯留される。そして、アキュームレータ6に貯留された水は、計量機構1へと供給され、この計量機構1を経て噴射弁4から噴射されることになる。
【0014】
噴射弁4は、図示しないディーゼルエンジン(機関)に対して取り付けられており、このディーゼルエンジンにおける図示しないシリンダ(気筒)に形成される噴射口を介して、圧力源ユニット3から供給される水を噴射してシリンダ内に供給することができるようになっている。なお、この噴射弁4からディーゼルエンジンのシリンダ内に水が噴射されることで、窒素酸化物(NOx)の排出の低減が図られることになる。また、噴射弁4からは、水が直接シリンダ内に噴射されるようになっている。
【0015】
計量機構1は、図1及び図2に示すように、計量シリンダ11、電磁弁12、主弁13、及び制御装置(制御部)14を備えており、シリンダ内への水供給量(流体供給量)を制御する。また、計量機構1には、圧力源ユニット3から供給された水が流動する系統として、通路15が備えられている。なお、本実施形態では、電磁弁12や主弁13が計量機構1に含まれるものとして説明するが、これらについては必ずしも計量機構1の構成要素でなくてもよく、機関用流体供給装置2に含まれるものとして備えられているものであってもよい。
【0016】
計量機構1における通路15としては、通路15a乃至15eが備えられている。通路15a及び15bは、圧力源ユニット3と計量シリンダ11及び電磁弁12とを接続するように設けられている。通路15c及び15dは、計量シリンダ11、電磁弁12、及び主弁13を接続するように設けられている。また、通路15eは、主弁13と噴射弁4とを接続している。これにより、計量シリンダ11及び主弁13を介した圧力源ユニット3と噴射弁4との間の水の通過が許容されるように構成されている。
【0017】
主弁13は、本体16、弁座17、弁体18、ばね19、電磁ソレノイド20を備えている。本体20には、圧力源ユニット3からの水が供給される圧力源ユニット側ポート21と、噴射弁4へと水を供給する噴射弁側ポート22とが形成されている。即ち、圧力源ユニット側ポート21は通路15dに接続され、噴射弁側ポート22は通路15eに接続されている。また、弁座17は圧力源ユニット側ポート21と噴射弁側ポート22との間に形成されており、弁体18は弁座17に着座可能に形成されて通路15dと通路15eとの間を開閉可能に配置されている。即ち、弁体18が弁座17に着座することで通路15が遮断される(閉じられる)ことになり、弁体18が弁座17から離座することで通路15が開かれる(連通される)ようになっている。
【0018】
また、主弁13におけるばね19は、本体16内に区画されて形成されるばね室23に配置されるコイルばねとして設けられており、弁体18を着座方向に付勢するようになっている。このばね19の付勢力によって弁体18が弁座17に着座することで、通路15が遮断された状態になるようになっている。
【0019】
電磁ソレノイド20は、弁体18を離座方向に吸引することができるように、本体16内において弁体18に対峙する位置に配設されている。この電磁ソレノイド20が消磁されている状態においては、ばね19の付勢力によって弁体18が弁座17に着座したままで通路15は閉じられた状態に保たれる(即ち、励磁されていないノーマルな状態で通路15を閉じる位置となるノーマルクローズの状態になっている)。一方、電磁ソレノイド20が通電されて励磁されることで、弁体18が吸引されて弁座17から離座し、通路15が開かれるようになっている。
【0020】
計量シリンダ11は、圧力源ユニット3と噴射弁4との間における主弁13の上流側である通路15aと通路15dとの間に配置されている。そして、この計量シリンダ11には、ピストン24、圧力室25、計量室26、位置センサ(検出器)27、ばね28が設けられている。ピストン24は、計量シリンダ11の内部において往復動作自在に配設されている。そして、圧力室25と計量室26とは、計量シリンダ11内においてピストン24により区画されて構成されている。
【0021】
計量シリンダ11の圧力室25は、通路15aを介して圧力源ユニット3に接続されている。一方、計量室26は、通路15dに接続されており、電磁弁12を介して圧力源ユニット3に接続されるとともに主弁13の圧力源ユニット側ポート21に接続されている。また、計量室26内には、ばね28がピストン24を圧力室25の側に向かって付勢するように配設されている。なお、計量室26の端部壁26aが、計量室26から水が放出される(供給される)際におけるピストン24の移動を規制するストッパとしての機能も担っている。即ち、計量室26から水が放出される際においては、計量室26内に位置しているピストン24の端面24aが端部壁26aと当接することで、放水の際のピストン24のストロークが規制されるようになっている。また、ピストン24の端面24aが端部壁26aに当接している状態が、計量室26内にシリンダへの供給用の水を蓄積する際における蓄積開始の基準位置となることになる。
【0022】
また、位置センサ27は、計量シリンダ11におけるピストン24の位置を検出するようになっている。そして、図2に示すように、位置センサ27は、ピストン24の位置の検出結果に基づく検出信号を制御装置14に発することができるようになっている。なお、位置センサ27によるピストン位置の検出は、例えば、ピストン24の端面24aが端部壁26aに当接している状態を基準位置として検出されるようになっている。これにより、計量室26内にシリンダへの供給用の水を蓄積する際における蓄積開始の位置からのピストン24の移動量を検出することができる。
【0023】
また、電磁弁12は、圧力源ユニット3から計量シリンダ11の計量室26への水の供給を可能とする通路15bと通路15cとの間に配置されて、この通路15b・15c間を開閉可能になっている。そして、この電磁弁12は、本体12aと、この本体12a内に形成される弁座12bと、弁体12cと、コイル部12dと、ばね12eとを備えている。弁座12bは通路15bと通路15cとの間に形成されており、弁体12cは、弁座12bに対して着座可能に配置されている。また、弁体12cは、ばね12
eによって着座方向に付勢されるとともに、コイル部12dに通電されることで(励磁されることで)、弁座12bから離座するように配置されている。これにより、電磁弁12では、消磁されている状態においては、ばね12eによって付勢されて弁体12cが通路15bと通路15cとの間を閉じる方向に移動し、励磁されている状態においては、ばね12eの付勢力に抗して弁体12cがその通路を開く方向に移動するようになっている。即ち、電磁弁12は、励磁されていないノーマルな状態で通路15b・15c間を閉じる位置となるノーマルクローズの状態になっている。
【0024】
図2に示す制御装置14は、図示しないCPU(Central Processing Unit)やメモリ(ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory))、電流制御回路などを備えて構成されている。そして、この制御装置14は、電磁弁12のコイル部12d及び主弁13の電磁ソレノイド20にそれぞれ通電して励磁可能なように接続されており、これらの各弁(12、13)の作動を制御することができるようになっている。そして、制御装置14は、計量シリンダ11の位置センサ27と接続され、位置センサ27で検出されたピストン位置に関する検出信号が入力されるようになっている。また、この制御装置14には、噴射弁4からシリンダ内に供給する水供給量の目標値に対応する指令値とが入力されるようになっている。なお、制御装置14は、噴射弁4が設けられている図示しないディーゼルエンジンの作動を制御するエンジン制御ユニット(図示せず)からの信号等(前述の指令値も含む)に基づいて各弁(12、13)の作動を制御するようになっており、エンジン制御ユニットによって制御されるディーゼルエンジンのサイクルと同期する所定のタイミングで各弁(12、13)の作動を制御するようになっている。
【0025】
また、計量機構1においては、計量シリンダ11のピストン24の移動速度を計量室26から噴射弁4へと水を供給する吐出時よりも計量室26に水を蓄積する蓄積時の方が遅くなるように設定する遅延手段が設けられている。この遅延手段は、例えば、計量シリンダ11のばね28や計量室26への水の流入経路によって構成される。即ち、遅延手段による設定は、計量室26に水を供給する際におけるピストン24の移動速度に影響を与える要因の一つであるばね28のばね力の適宜選択や、電磁弁12や通路15a、15b、15cの流下抵抗の調整等によって定められるようになっている。
【0026】
次に、上述した構成を備える計量機構1の作動について説明する。図3は、計量機構1の制御装置14における処理を説明する制御概念図である。制御装置14では、計量シリンダ11の計量室26への水の蓄積時に、位置センサ27からの検出信号や前述の指令値に基づいて比例積分制御により電磁弁12の開閉動作を制御することで、その蓄積時におけるピストン24の位置を制御するようになっている。即ち、計量室26へ水を蓄積するタイミング毎に図3に示す処理が行われて、その各タイミングでは図3の処理にて決定されたタイミングにて電磁弁12の開閉動作の制御が行われることになる。
【0027】
まず、制御装置14に位置センサ27からの検出信号と水供給量の目標値である指令値とが入力される。位置センサ27の検出信号としては、計量室26への水の蓄積が完了した後であって噴射弁4へ水が供給される前の状態におけるピストン24の位置が入力されることになる。このピストン位置に関する検出信号が制御装置14に入力されると、制御装置14では、そのピストン位置の値からの換算により、計量室26に前回の水蓄積タイミングに蓄積されて次回の水供給タイミング(次回の水噴射のタイミング)にて供給されることになる水供給量(噴射量)の計算による実績値が求められる。
【0028】
そして、制御装置14では、指令値と水供給量との差分ΔViが算出される(即ち、この差分ΔViは、位置センサ27の検出信号と指令値とに基づいて演算されることになる)。また、制御装置14は、差分ΔViの値がゼロ値に近いときにその差分ΔViの値をよりゼロ値に近い値になるように変換する不感帯設定器が備えられるように構成されている。図3に示す制御概念図では、差分ΔViが不感帯設定器を経ることで新たに演算された差分ΔVoへと変換される場合を示しており、変換前の差分ΔViが適宜設定された所定の閾値ΔVα以下の場合によりゼロ値に近い値に変換される場合を例示している。
【0029】
続いて、制御装置14では、不感帯設定器を経て変換された出力である差分ΔVoに基づいて比例積分制御のための演算が行われることになる。即ち、適宜設定された所定の比例係数及び積分係数のゲイン設定の下で差分ΔVoに応じた操作変更量を算出する比例制御演算と積分制御演算とが行われ、前回操作量に対してこの操作変更量分だけ変更されるように次回操作量が算出される。なお、前回操作量とは、前回の制御装置14が前回算出した操作量である。一方、前回操作量に対して操作変更量を考慮して修正された次回操作量とは、次回の水蓄積タイミングの際における電磁弁12の制御出力に対応するものである。
【0030】
上述の次回操作量が算出されると、リミッタにて、その値が所定の上限値(UL)及び下限値(LL)の範囲内であることが判断される。その上下限値の範囲内に収まっていなければ、その超えてしまった方の上限値或いは下限値の値と同じ値となるように次回操作量が変更され、その上下限値内に収まっていれば次回操作量の値は変更されない。そして、リミッタを経た出力である次回操作量に基づいて、この次回操作量分の水を計量室26に蓄積するために必要な電磁弁12の開弁時間が設定される。このような図3に示す処理を経て制御装置14からの出力に従って、電磁弁12の開閉動作が制御されて蓄積時のピストン24の位置が制御されることになる。
【0031】
ここで、計量機構1の作動に関し、計量シリンダ11の計量室26に蓄積された水が噴射弁4を介してシリンダ内に供給されてから再び計量室26に水が蓄積されるまでのサイクルについて説明する。
【0032】
まず、電磁弁12及び主弁13がいずれも閉じているとともに計量シリンダ11の計量室26に水が蓄積されている状態において、水を噴射弁4から噴射する所定のタイミングになると、制御装置14によって主弁13の電磁ソレノイド20が励磁するように制御される。これにより、主弁13が開くことになる(図1、2参照)。そして、計量シリンダ11の圧力室25には圧力源ユニット3から所定の圧力の水が供給されているため、その水の圧力により付勢されたピストン24が移動することになる。このピストン24の移動により、計量室26に蓄積されている水が、主弁13を介して噴射弁4よりシリンダ内へと供給されることになる。
【0033】
ピストン24の端面24aが計量室26の端部壁26aに当接してピストン24の移動が完了した後で、制御装置14によって電磁ソレノイド20が消磁されて主弁13が閉じられる。これにより、計量室26に蓄積された水のシリンダへの供給が終了する。
【0034】
計量室26からの水の供給が終了すると、続いて、計量室26への水の蓄積が開始される。即ち、主弁13が閉じている状態で、制御装置14の制御によって電磁弁12が開かれることになる。そして、電磁弁12は、制御装置14からの指令に基づいて、前述した次回操作量に基づいて設定された開弁時間の間だけ開いている状態が維持され、この間ピストン24が移動して計量室26に水が蓄積されることになる。尚、圧力室25と計量室26はいずれも圧力源ユニット3と連通した状態となるが、ばね28の付勢力により計量室26に水が蓄積される方向にピストン24が移動することになる。従って、位置センサ27の検出信号及び水供給量の指令値に基づいて比例積分制御により電磁弁12の開閉動作が制御されて、蓄積時のピストン24の位置が制御されることになる。計量室26への水の蓄積が完了した後は、制御装置14による制御に基づいて上述したサイクルが繰り返されることになる。
【0035】
以上説明したように、計量機構1によると、遅延手段によって蓄積時のピストン24の移動速度が遅くなるように設定されるとともに、制御装置14によって蓄積時に比例積分制御により電磁弁12の開閉動作を制御して蓄積時のピストン24の位置が制御される。このため、噴射弁4からシリンダへ供給する水供給量であって計量室26に蓄積される水供給量が正確に制御される。また、制御装置14は、ピストン位置の検出信号と指令値とに基づいて比例積分制御を行ってピストン位置を制御するため、指令値が変化したときも、計量室26に蓄積される水供給量をその指令値の変化に速やかに追従させることができる。従って、容易に計量シリンダ11における位置制御を行うことができ、シリンダ内への水供給量のより正確な制御を実現することができる。
【0036】
また、計量機構1によると、実際に供給した供給量が流体供給量の目標値に近づいたときに不感帯設定器によってその差分の値をゼロ値に近い値になるように変換してその出力に基づいて制御できるため、オーバーシュート等の発生によりハンチングが生じ制御系が不安定になってしまうことを抑制することができる。
【0037】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】本発明の一実施の形態に係る機関用流体供給装置の計量機構が用いられる機関用流体供給装置の回路構成図である。
【図2】図1に示す機関用流体供給装置の模式図である。
【図3】図2に示す計量機構の制御装置における処理を説明する制御概念図である。
【符号の説明】
【0039】
1 機関用流体供給装置の計量機構
2 機関用流体供給装置
3 圧力源ユニット
4 噴射弁
11 計量シリンダ
12 電磁弁
13 主弁
14 制御装置(制御部)
24 ピストン
25 圧力室
26 計量室
27 位置センサ(検出器)




 

 


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