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Die
Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung mit verstellbarem Fördervolumen
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und
ein Verfahren zur Ansteuerung einer derartigen Pumpenanordnung gemäß 6.
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Eine
derartige, beispielsweise in der
EP 0 678 166 B1 und der
DE 199 02 259 A1 offenbarte Pumpenanordnung
hat eine Vorförderpumpe, über die Druckmittel
aus einem Tank angesaugt und mit einem Druck beaufschlagt wird.
Der Druckanschluss der Vorförderpumpe ist mit dem Sauganschluss
einer Haupt- oder Hochdruckpumpe verbunden, die das Druckmittel
mit Hochdruck beaufschlagt. Bei diesen bekannten Lösungen
erfolgt die Einstellung des Druckmittelvolumenstroms durch eine
pumpenseitige Saugdrosselung, wobei in der Saugleitung zwischen
der Vorförderpumpe und der Haupt- und/oder Hochdruckpumpe
eine Zumesseinheit/Saugdrosselventil angeordnet ist. Durch die Androsselung
der Saugleitung wird der Hohlraum- oder Gasanteil im Druckmittel
erhöht, so dass die Arbeitsräume der Hauptpumpe
entsprechend mit weniger Druckmittel gefüllt werden und
der von der Hauptpumpe geförderte Druckmittelvolumenstrom
absinkt. Durch diese Saugdrosselung kann somit das Fördervolumen
der Pumpenanordnung verstellt werden.
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Beispielsweise
bei Axialkolbenpumpen erfolgt die Verstellung des Fördervolumenstrom
durch Verstellen des Schwenkwinkels mittels eines Stellgerätes,
das in Abhängigkeit vom einzustellenden Fördervolumenstrom
angesteuert wird. Eine derartige Axialkolbenmaschine mit Stellgerät
zur Schwenkwinkelverstellung wird von der Anmelderin mit den Typenbezeichnungen
A4V (Axialkolbenpumpe) und HS4 (Stellgerät) vertrieben.
Hinsichtlich Einzelheiten dieser Lösung sei auf die Domain www.boschrexroth.de verwiesen.
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In
der
EP 1 537 333 B1 ist
eine Hydromaschine in Axial- oder Radialkolbenbauweise gezeigt, bei
der das Förder- bzw. Schluckvolumen über eine Ventilsteuerung
stufenlos verstellbar ist. Dazu sind die niederdruck- und hochdruckseitigen
Ventile der Hydromaschine als elektrisch entsperrbare bzw. sperrbare
Rückschlagventile ausgeführt, die über
die Pumpensteuerung ansteuerbar sind, um den jeweiligen Arbeitsraum
im "full mode", im "partial mode" oder im "idle mode" zu betreiben.
Durch geeignete Ansteuerung der Ventile lässt sich ein
pulsationsarmer Summen- Fördervolumenstrom einstellen, wobei der
Fördervolumenstrom durch geeignte Ansteuerung der oben
genannten Ventile stufenlos verstellt werden kann. Derartige Hydromaschinen
sind auch unter dem Begriff "DDP (Digital Displacement Pump) bekannt.
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All
den vorbeschriebenen Lösungen ist der Nachteil gemeinsam,
dass zur Fördervolumenstromverstellung ein erheblicher
vorrichtungstechnischer Aufwand erforderlich ist. Bei der Saugdrosselung kommt
der Nachteil hinzu, dass entweder eine separate Vorförderung
erforderlich ist oder die Saugdrosselregelung nur im Unterdruckbereich
erfolgen kann, so dass Dampfdruckprobleme auftreten können.
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Demgegenüber
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Pumpenanordnung und
ein Verfahren zu deren Ansteuerung zu schaffen, über die ein
Fördervolumenstrom mit geringem vorrichtungstechnischem
Aufwand einstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich der Pumpenanordnung durch die Merkmale
des Patentanspruches 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale
des Patentanspruches 6 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist
die Pumpenanordnung mit einer Vorförderpumpe ausgeführt,
deren Druckanschluss mit einem Sauganschluss einer Haupt- oder Hochdruckpumpe
verbunden ist. Erfindungsgemäß wird die Vorförderpumpe
mengengeregelt ausgeführt, so dass von dieser exakt die
Druckmittelmenge zur Verfügung gestellt wird, die über
die Pumpenanordnung zum Verbraucher geführt werden soll.
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Entsprechend
wird beim erfindungsgemäßen Verfahren die Vorförderpumpe
nach einer Mengenregelung angesteuert, wobei zunächst ein
Durchflussmengensignal oder ein Drucksignal am Ausgang der Hauptpumpe
erfasst wird und aus diesem Signal ein Fördervolumenstrom-Istwert
ermittelt wird. In einem folgenden Verfahrensschritt der erfindungsgemäßen
Regelstrategie wird der Fördervolumen-Istwert mit einem
voreingestellten Fördervolumenstrom-Sollwert verglichen
und in Abhängigkeit von der Differenz an einen Regler eines
Antriebsmotors der Vorförderpumpe ein Stellsignal zum Verstellen der
Drehzahl abgegeben.
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In
den Fördervolumenstrom-Sollwert können Korrekturwerte
in Abhängigkeit von der Druckmitteltemperatur, den volumetrischen
Verlusten der Pumpen, der Kompressibilität des Druckmittels
und/oder dem Verschleiß der Pumpenanordnung eingehen, so dass
eine Regelung mit hoher Dynamik ermöglicht wird. Durch Berücksichtigung
von Funktionsparametern der Pumpen, beispielsweise des volumetrischen Wirkungsgrades
und des Verschleißes ist es möglich, für
die verstellbare Vorförderpumpe eine kostengünstige
Bauart zu wählen.
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Ein
wesentlicher Vorteil dieser Regelstrategie und der erfindungsgemäßen
Pumpenanordnung besteht darin, dass der Fördervolumenstrom
(Menge) direkt eingeregelt wird, während bei den eingangs
beschriebenen Lösungen der Fördervolumenstrom über
den Saugdruck oder das Hubvolumen oder die Verstellung von Ventilöffnungszeiten
nur mittelbar, über einen Umweg eingeregelt wurde. Durch die
zumindest zweistufige Druckbeaufschlagung des Druckmittels sind
auch die beim Stand der Technik, insbesondere die bei der Saugdrosselung
auftretenden Dampfdruckprobleme ausgeräumt, so dass nur eine
geringe Gefahr vorliegt, dass im Niederdruckbereich Dampf oder gelöstes
Gas aus der Druckflüssigkeit austritt.
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Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Im
Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand einer einzigen schematischen Zeichnung näher
erläutert, die ein Schaltschema einer erfindungsgemäßen
Pumpenanordnung mit variablem Fördervolumen zeigt.
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Diese
Pumpenanordnung 1 hat eine Vorförderpumpe 2 und
eine Hauptpumpe 4, die hintereinander geschaltet sind.
Die Vorförderpumpe 2 hat einen Sauganschluss,
der über eine Saugleitung 6 mit einem Tank T verbunden
ist. Der Antrieb der Vorförderpumpe 2 erfolgt
mittels eines Elektromotors 10, der vorzugsweise ein hochdynamischer
Motor, beispielsweise ein bürstenloser, drehzahl- oder
frequenzgeregelter Synchronmotor ist. Die Drehzahl bzw. die Frequenz
des Elektromotors 10 wird so angesteuert, dass von der
Vorförderpumpe 2 ein vorbestimmter, mit Niederdruck
beaufschlagter Druckmittelvolumenstrom in eine Niederdruckleitung 8 befördert
wird. Die Drehzahleinstellung des Elektromotors 10 erfolgt
dabei über einen Regler 12, der die Drehzahl in
Abhängigkeit von dem Fördervolumenstrom Q einstellt.
D. h. über geeignete Drehzahleinstellung des Elektromotors 10 kann
die von der Vorförderpumpe 2 in die Niederdruckleitung 8 geförderte
Menge exakt bestimmt werden. Über die Hauptpumpe 4 wird
dieser von der Vorförderpumpe 2 bereit gestellte
Druckmittelvolumenstrom dann mit Hochdruck beaufschlagt und in eine
Hochdruckleitung 12 gefördert, die an den Druckanschluss
der Hauptpumpe 4 angeschlossen ist.
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Der
Fördervolumenstrom Q oder der in der Hochdruckleitung 12 anliegende
Druck p wird über einen nicht dargestellten Sensor erfasst
und daraus ein entsprechender Istwert (QIST, pIST) berechnet. Dieser
Istwert wird dann mit einem voreingestellten Sollwert QSOLL bzw.
pSOLL verglichen und in Abhängigkeit von der Regeldifferenz ΔQ über
die Regeleinheit 14 ein Drehzahlsignal n zur Einstellung
der Motordrehzahl an den Elektromotor 10 abgegeben. Bei
der Bestimmung der Drehzahl n gehen neben der Regeldifferenz ΔQ
noch andere Parameter des zugeordneten Hydraulikkreises über
einen Korrekturwert ein. Derartige, einen Korrekturwert bestimmende
Parameter können beispielsweise die Druckmitteltemperatur,
der volumetrische Wirkungsgrad der beiden Pumpen 2, 4,
die Kompressibilität des verwendeten Druckmittels und auch
der Verschleiß der Pumpenanordnung sein. Über
diese Regelstrategie lässt sich der Fördervolumenstrom
in der Hochdruckleitung 12 sehr exakt mit hoher Dynamik
einregeln, wobei die Vorförderpumpe 2 erfindungsgemäß so
eingestellt wird, dass sie exakt diejenige Menge mit Niederdruck beaufschlagt,
die von dem an die Hauptpumpe 4 angeschlossenen Verbraucher
benötigt wird, wobei die pumpen- und druckmittelspezifischen
Parameter (siehe oben) durch Berücksichtigung eines Korrekturfaktors
eingehen.
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Da
die Mengeneinstellung über die Vorförderpumpe 2 erfolgt,
kann die Hauptpumpe 4 sehr einfach als Konstantpumpe ausgeführt
werden, über die der von der Vorförderpumpe 2 vorgehaltene
Druckmittelvolumenstrom lediglich noch auf Hochdruck gebracht werden
muss. D. h. die Pumpenanordnung 1 kann bei der erfindungsgemäßen
Konstruktion mit vergleichsweise einfachen Pumpenkonstruktionen ausgeführt
werden, wobei der vorrichtungstechnische Aufwand gegenüber
den eingangs beschriebenen Lösungen minimal ist. Durch
die ein- oder mehrstufige Niederdruckbeaufschlagung des Druckmittels können
Dampfdruckprobleme zuverlässig minimiert oder ausgeschaltet
werden, wobei die direkte Mengenregelung mit hoher Dynamik und Genauigkeit durchgeführt
werden kann.
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Bei
sehr kritischen Druckmitteln kann es trotz der verwendeten Vorförderpumpe 2 zu
Dampfdruckproblemen und damit zu einer Verringerung des volumetrischen
Wirkungsgrades kommen. Um derartige Dampfdruckprobleme bei diesen
kritischen Druckmitteln zu beseitigen, kann zusätzlich
zur Vorförderpumpe 2 eine weitere Vorförderpumpe
vorgesehen werden, die entweder synchron mit der Vorförderpumpe 2 oder
unabhängig von dieser über einen eigenen Antrieb
ansteuerbar ist. Durch diese dreistufige Druckbeaufschlagung des
Druckmittels können Ausgasungen oder das Entstehen von
gelöstem Gas oberhalb der Druckmitteloberfläche
zuverlässig verhindert oder zumindest stark minimiert werden.
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Offenbart
ist eine Pumpenanordnung und ein Verfahren zur Ansteuerung einer
Pumpenanordnung, wobei Druckmittel über eine mengengeregelte
Vorförderpumpe mit einem Niederdruck beaufschlagt und zum
Sauganschluss einer Hauptpumpe gefördert wird, über
die das Druckmittel mit Hochdruck beaufschlagbar ist.
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- 1
- Pumpenanordnung
- 2
- Vorförderpumpe
- 4
- Hauptpumpe
- 6
- Saugleitung
- 8
- Niederdruckleitung
- 10
- Elektromotor
- 12
- Hochdruckleitung
- 14
- Regeleinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0678166
B1 [0002]
- - DE 19902259 A1 [0002]
- - EP 1537333 B1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - www.boschrexroth.de [0003]