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Die
Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, insbesondere eine Flüssigkeitskolbenmaschine,
mit mehreren Kolbeneinheiten, die geometrisch bedingt unterschiedlich
große Fördervolumen aufweisen und zur diskreten
Einstellung eines Gesamtfördervolumens der Kolbenmaschine
individuell abstellbar sind.
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Stand der Technik
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Kolbenmaschinen
der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Kolbenmaschinen werden in vielen Bereichen der Technik als Pumpen
und/oder als Motoren eingesetzt. Zur Erzeugung eines variablen Volumenstroms
beziehungsweise -volumens, gegebenenfalls auch eines variablen Drucks (Pumpe)
beziehungsweise eine Drehzahl und Drehmoment (Motor), sind unterschiedliche
Prinzipien bekannt. Gängige Bauarten zur kontinuierlichen
Veränderung/Einstellung des Fördervolumens der
Kolbeneinheiten sind beispielsweise Kolbenmaschinen mit einer Schrägscheibe,
einer Schrägachse oder einer Taumelscheibe. Dabei wird
durch eine Winkelverstellung der obere und der untere Totpunkt der
Kolbenhübe variiert und dadurch das Fördervolumen
kontinuierlich verstellt. Jedoch weisen derartige Ausführungsformen
einen geringen Wirkungsgrad insbesondere im Teillastbereich auf.
Dieser geringe Wirkungsgrad erklärt sich im Wesentlichen durch
die Leckage an der entsprechenden Steuer-/Schräg- oder
Taumelscheibe, der Reibung an der Steuer-/Schräg- oder
Taumelscheibe sowie durch einen ständig notwendigen Steuerstrom
zum Halten von Steuer-/Schräg- oder Taumelscheibe. Neben
einer kontinuierlichen Veränderung des Fördervolumens
oder der Förderzeit der Kolbeneinheiten ist es auch bekannt,
diskrete Veränderungen des Fördervolumens durch
das Abstellen beziehungsweise Abschalten einzelner Kolbeneinheiten
durchzuführen.
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Aus
der
EP 1 306 553 A2 ist
eine Kolbenmaschine in Form einer Kraftstoffpumpe bekannt, bei der
einzelne Kolbeneinheiten abgestellt und somit das Gesamtfördervolumen
diskret eingestellt werden kann, wobei zum Erhöhen der
Einstellmöglichkeiten die Fördervolumen der einzelnen
Kolbeneinheiten unterschiedlich groß ausgebildet sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Kolbenmaschine zeichnet sich
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aus. Danach ist
die Kolbenmaschine derart ausgebildet, dass das größere
Fördervolumen einer der Kolbeneinheiten jeweils doppelt
so groß ist wie das nächst kleinere Fördervolumen
einer anderen der Kolbeneinheiten. Es ist also vorgesehen, dass
die Kolbeneinheiten unterschiedlich große Fördervolumen
aufweisen und dass die Kolbeneinheit mit einem größeren
Fördervolumen derart ausgebildet ist, dass ihr Fördervolumen doppelt
so groß ist, wie das der anderen Kolbeneinheit, die das
nächst kleinere Fördervolumen aufweist. So ist
beispielsweise bei drei vorgesehenen Kolbeneinheiten das Fördervolumen
der zweiten Kolbeneinheit doppelt so groß wie das der ersten,
und das Fördervolumen der dritten Kolbeneinheit doppelt
so groß wie das der zweiten Kolbeneinheit. Entsprechendes
ergibt sich für eine andere beliebige Anzahl von Kolbeneinheiten
der Kolbenmaschine. Hierdurch ist es möglich, das Gesamtfördervolumen
der Kolbenmaschine diskret in äquidistanten Stufen zu verändern
beziehungsweise einzustellen. Bei dem oben genannten Ausführungsbeispiel
mit drei Kolbeneinheiten ist es möglich, acht unterschiedliche
Gesamtfördervolumen von Null bis zum Siebenfachen des Fördervolumens
der Kolbeneinheit mit dem kleinsten Fördervolumen einzustellen.
Zweckmäßigerweise werden dazu die Kolbeneinheiten
derart abgestellt, dass die Stufe bei der Erhöhung oder
Verringerung des Gesamtfördervolumens jeweils dem Fördervolumen
der Kolbeneinheit mit dem kleinsten Fördervolumen entspricht.
Dadurch wird eine Kolbenmaschine geschaffen, deren Gesamtfördervolumen
in äquidistanten Stufen variabel einstellbar ist, und die
auch im Teillastbereich einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass jeder Kolbeneinheit ein schaltbares Leerlaufventil
zum Abstellen der Kolbeneinheit zugeordnet ist. Das Leerlaufventil
ist derart gestaltet, dass durch Öffnen des Leerlaufventils
verhindert wird, dass ein Druck in der Kolbeneinheit aufgebaut und
damit Flüssigkeit gefördert wird. Das Leerlaufventil
lässt also das in der Kolbeneinheit befindliche Volumen „leer
laufen”. Vorteilhafterweise ist das Leerlaufventil weiterhin
derart gestaltet, dass bei Öffnen des Leerlaufventils gleichzeitig
der Austrittsquerschnitt der Kolbeneinheit, durch den das zu fördernde
Volumen gepumpt werden soll verschlossen wird. Alternativ kann das
Leerlaufventil auch derart ausgestaltet sein, dass es ein Einströmen
von Flüssigkeit in die Kolbeneinheit verhindert, so dass
die Kolbeneinheit leer läuft. Natürlich sind auch
ganz andere Abschaltmechanismen für die jeweilige Kolbeneinheit
denkbar. Beispielswiese kann jede Kolbeneinheit mittels einer eigenen
Antriebswelle angetrieben werden, sodass die Antriebswellen einzeln
angesteuert beziehungsweise abgestellt werden können.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Kolbeneinheiten einen
dem entsprechenden Leerlaufventil zugeordneten Bypass-Kanal auf.
Dieser führt das unerwünschte, aber dennoch durch
die Kolbeneinheit geförderte Volumen an einem Verbraucher
vorbei zurück, sodass es der Kolbenmaschine „unverbraucht” wieder
zugeführt wird.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass die Kolbenmaschine mindestens drei Kolbeneinheiten
aufweist. Dadurch ist es bereits möglich, wie oben bereits
gesagt, acht unterschiedliche Gesamtfördervolumen der Kolbenmaschine
in äquidistanten Schritten/Stufen einzustellen.
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Zweckmäßigerweise
ist die Kolbenmaschine als Radial- und/oder Reihenkolbenmaschine
ausgebildet. Dadurch werden sowohl Reibverluste als auch Verluste
aufgrund von Leckagen verringert und ein hoher Wirkungsgrad der
Kolbenmaschine insbesondere im Teillastbereich gewährleistet.
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Vorteilhafterweise
weist jede Kolbeneinheit mindestens einen in einem Zylinder axial
verlagerbaren Kolben auf. Es ist auch denkbar, dass zu jeder Kolbeneinheit
zwei Zylinder mit jeweils einem darin axial verlagerbaren Kolben
vorgesehen sind. Diese bilden dann eine Kolbengruppe. Entsprechend
kann das Gesamtfördervolumen durch Verändern des
Kolbengruppen-Fördervolumens eingestellt werden. So ist
es weiterhin auch denkbar, dass von einer Kolbengruppe lediglich
das Fördervolumen einer der Kolben-Zylinder-Einheiten abgestellt
wird. Hier durch sind weitere Abstufungen zur Einstellung des Gesamtfördervolumens
der Kolbenmaschine möglich.
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Zweckmäßigerweise
werden die unterschiedlich großen Fördervolumen
der Kolbeneinheiten durch unterschiedlich große Querschnittsflächen
der Zylinder und Kolben bestimmt. Durch diese geometrische Gestaltung
ist es auf einfache Art und Weise möglich, die unterschiedlichen
Fördervolumen wie oben beschrieben vorzusehen und zu gewährleisten.
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Alternativ
oder zusätzlich können die unterschiedlich großen
Fördervolumen durch unterschiedlich große Kolbenhübe
der Kolbeneinheiten bestimmt werden.
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Auch
wenn oben stehend im Wesentlichen die Funktion der Kolbenmaschine
als Kolbenpumpe beschrieben wurde, ist es für den Fachmann
selbstverständlich, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen
auch auf Kolbenmaschinen, die als Kolbenmotor ausgebildet sind,
anwendbar sind.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1 ein
Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Kolbenpumpe in
einer schematischen Darstellung und
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2 bis 9 einstellbare
Gesamtfördervolumen der Kolbenpumpe.
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Die 1 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine Kolbenmaschine 1 für
Flüssigkeiten, die als Reihen-Kolbenpumpe 2 ausgebildet
ist. Die Kolbenmaschine 1 weist dazu drei in einem Gehäuse
ausgebildete Zylinder 3, 4 und 5 auf,
in denen jeweils ein Kolben 6, 7 und 8 axial
verschiebbar gelagert ist. Die Kolben 6, 7, 8 werden
dabei mittels einer antreibbaren Kurbelwelle 9 in den Zylindern 3, 4, 5 verschoben.
Der Zylinder 3 und der Kolben 6, der Zylinder 4 und
der Kolben 7 sowie der Zylinder 5 und der Kolben 8 bilden
dabei jeweils eine Kolbeneinheit 10, 11 beziehungsweise 12 der
Kolbenmaschine 1. Die Kolbeneinheiten 10, 11 und 12 weisen
dabei unterschiedliche Fördervolumen auf, die durch die
Größe der jeweiligen Querschnittsfläche
der Zylinder 3, 4, 5 sowie der Kolben 6, 7, 8 bestimmt
werden. Vorteilhafterweise ist dabei das Volumen V11 der
Kolbeneinheit 11 doppelt so groß wie das Volumen
V10 der Kolbeneinheit 10, und das
Volumen V12 der Kolbeneinheit 12 doppelt
so groß wie das Fördervolumen V11 der
Kolbeneinheit 11. Somit ist also jeweils das größere Fördervolumen
einer der Kolbeneinheiten jeweils doppelt so groß, wie
das nächst kleinere Fördervolumen einer anderen
Kolbeneinheit.
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Allgemein
lässt sich das Fördervolumen der Kolbeneinheiten 10, 11, 12 somit
ausdrücken als Vi =
2·Vi-1,wobei i der Anzahl
der Kolbeneinheiten entspricht.
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Jeder
der Kolbeneinheiten 10, 11, 12 beziehungsweise
der Zylinder 3, 4, 5 ist dabei ein Leerlaufventil 13, 14 beziehungsweise 15 zugeordnet.
Von jedem der Leerlaufventile 13, 14 und 15 führt
ein Bypass-Kanal 16, 17 und 18 das von
der entsprechenden Kolbeneinheit 10, 11 beziehungsweise 12 geförderte
Volumen „ungenutzt” aus der Kolbenmaschine 1 heraus,
sofern das jeweilige Leerlaufventil 13, 14, 15 entsprechend
geschaltet beziehungsweise geöffnet ist. Zweckmäßigerweise
werden die Bypass-Kanäle 16, 17 und 18 zu
einem gemeinsamen – hier nicht dargestellten – (Rücklauf-)Kanal
zusammengeführt. Durch Öffnen der Leerlaufventile 13, 14 und/oder 15,
kann somit die jeweilige Kolbeneinheit 10, 11 beziehungsweise 12 abgestellt
werden, sodass das von ihr erbrachte Fördervolumen nicht
gepumpt sondern ungenutzt weitergeleitet beziehungsweise zurückgeleitet
und dadurch nicht dem Gesamtfördervolumen der Kolbenmaschine 1 zugeführt
wird.
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Durch
entsprechendes Abstellen der Kolbeneinheiten
10,
11,
12 beziehungsweise
Einstellen der Leerlaufventile
13,
14,
15 lässt
sich somit auf einfache Art und Weise das Gesamtfördervolumen
V
G der Kolbenmaschine
1 diskret
in äquidistanten Stufen verstellen. Dies lässt
sich am besten mittels der folgenden Formel darstellen:
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Der
jeweilige Sprung zwischen den unterschiedlichen Gesamtfördervolumen
entspricht dabei aufgrund der oben beschriebenen vorteilhaften Ausbildung
der Kol benmaschine
1 jeweils dem Fördervolumen
der Kolbeneinheit mit dem kleinsten Fördervolumen, vorliegend
also V
10. Das maximale Gesamtfördervolumen V
G,max entspricht dabei:
vorliegend also
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Die 2 bis 9 zeigen
jeweils das Fördervolumen der Kolbeneinheiten 10, 11, 12 sowie
das aus der entsprechenden Einstellung der Leerlaufventile 13, 14 und 15 erbrachte
Gesamtfördervolumen der Kolbenmaschine 1 beziehungsweise
Reihenkolbenpumpe 2. Auf der linken Seite ist dabei jeweils
das von der jeweiligen Kolbeneinheit 10, 11, 12 erbrachte
(gestrichelt) sowie das mögliche (blank) Fördervolumen
der Kolbeneinheiten 10, 11 und 12. Auf
der rechten Seite ist entsprechend jeweils das resultierende Gesamtfördervolumen
VG dargestellt.
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2 zeigt
dabei die entsprechenden Fördervolumen für den
Fall, dass sämtliche Bypass-Kanäle 16, 17 und 18 mittels
des entsprechenden Leerlaufventils 13, 14 und 15 freigegeben
beziehungsweise alle Kolbeneinheiten 10, 11, 12 abgestellt
sind, sodass von dem möglichen Fördervolumen keines
genutzt und das Gesamtfördervolumen VG gleich
Null ist.
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Wird
das Leerlaufventil 13 geschlossen, die Kolbeneinheit 10 also
aktiviert, wie in der 3 dargestellt, so entspricht
das Gesamtfördervolumen VG dem
Fördervolumen der Kolbeneinheit 10.
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Gemäß 4 ist
die Kolbeneinheit 10 abgestellt und die Kolbeneinheit 11 aktiviert,
sodass das resultierende Gesamtfördervolumen dem Fördervolumen
der Kolbeneinheit 11 und somit dem doppelten Fördervolumen
der Kolbeneinheit 10 entspricht.
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Wird
gemäß 5 die Kolbeneinheit 10 hinzugeschaltet,
so wird das resultierende Gesamtfördervolumen VG um das Fördervolumen V10 der Kolbeneinheit 10 ergänzt,
also um eine weitere Stufe erhöht.
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Durch
Abstellen der Kolbeneinheiten 10 und 11 und Aktivieren
der Kolbeneinheit 12 ergibt sich ein Gesamtfördervolumen
VG = V12, das wiederum
um eine Stufe größer als das vorhergehende Fördervolumen
ist.
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Um
das Gesamtfördervolumen um eine weitere Stufe zu erhöhen,
wird gemäß 7 die Kolbeneinheit 10 hinzugeschaltet.
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Um
das Fördervolumen um noch eine weitere Stufe zu erhöhen,
wird gemäß 8 die Kolbeneinheit 10 abgestellt
und die Kolbeneinheit 11 aktiviert.
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Die 9 zeigt
die Einstellung der Kolbenmaschine 1 beziehungsweise der
Reihenkolbenpumpe 2 für den Fall, dass die maximale
Gesamtförderleistung VG,max eingestellt
ist. Dazu sind alle drei Kolbeneinheiten 10, 11, 12 aktiviert
beziehungsweise keine der Kolbeneinheiten 10, 11, 12 abgestellt.
In diesem Fall gilt VG = VG,max =
7·V10.
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Mittels
der vorteilhaft ausgebildeten Kolbenmaschine 1 ist es somit
auf einfache Art und Weise möglich, ein Gesamtfördervolumen
VG diskret in äquidistanten Schritten
(V10) einzustellen, wobei bereits bei drei unterschiedlich
ausgebildeten Kolbeneinheiten 10, 11, 12 acht
unterschiedliche Gesamtfördervolumen eingestellt werden
können, bei gleichbleibend hohem Wirkungsgrad.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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