-
Die
Erfindung betrifft eine hydrostatische Verdrängermaschine
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Bei
herkömmlichen hydrostatischen Verdrängermaschinen,
die z. B. als Radialkoben- oder als Axialkolbenmaschinen ausgeführt
sein können, erfolgt die Steuerung des Zulaufes und des
Ablaufes der einzelnen auf einer Kreisbahn umlaufenden Zylinder-Kolben-Einheiten
mechanisch. Im Falle einer Axialkolbenpumpe z. B. werden zwei Drucknieren eingesetzt, über
die die Verbindungen zur Hochdruckseite und zur Niederdruckseite
während eines gewissen Bereiches der Kreisbahn und somit
während eines gewissen Hubabschnitts der Zylinder-Kolben-Einheiten öffnen.
-
Bei
Radialkolbenpumpen sind pro Zylinder-Kolben-Einheit ein Hochdruck-
und eine Niederdruckventil vorgesehen, wobei die Ventile mechanisch
gesteuert werden. Das Hochdruckventil jeder Einheit z. B. öffnet
immer bei Überschreiten eines gewissen aufgebauten Drucks
im jeweiligen Zylinder der Einheit, so dass das druckerhöhte
Druckmittel zur Hochdruckseite der Pumpe abströmen kann.
-
Nachteilig
an derartigen hydrostatischen Verdrängermaschinen ist,
dass immer alle Zylinder-Kolben-Einheiten aktiv sind bzw. dass der
Volumenstrom der Maschine immer durch den Hubraum aller Einheiten
definiert ist.
-
Die
Druckschrift
WO
2008/012558 A2 offenbart ventilgesteuerte Verdrängermaschinen,
so genannten Digital-Displacement-Units (DDU's), bei denen jeder
Zylinder-Kolben-Einheit ein elektrisch betätigtes Niederdruckventil
und ein elektrisch betätigtes Hochdruckventil zugeordnet
sind.
-
Somit
sind die Einheiten über die beiden Ventile getrennt im
Pumpenmodus, Motormodus und in einem so genannten Idle-Modus ansteuerbar.
Im Idle-Modus können einzelne Einheiten durch dauerhaftes Öffnen
des Niederdruckventils und Schließen des Hochdruckventils
deaktiviert bzw. kraftlos geschaltet werden. So kann der Volumenstrom
bzw. die Drehzahl der Verdrängermaschinen reduziert werden.
-
Nachteilig
an derartigen ventilgesteuerten Verdrängermaschinen ist,
dass auch die im Idle-Modus kraftlos geschalteten Zylinder-Kolben-Einheiten von
Druckmittel durchströmt werden, wobei Verlustreibung entsteht.
-
Die
Druckschrift
WO 2006/109079 offenbart eine
ventilgesteuerte Verdrängermaschine (DDU), bei der jeder
Zylinder-Kolben-Einheit einer primären radialen Ebene über
ein Zwischenventil eine weitere sekundäre Zylinder-Kolben-Einheit
einer sekundären radialen Ebene zugeordnet ist. Die sekundäre
Ebene weist entlang einer Drehachse einen Abstand zur ersten Ebene
auf. Die Zwischenventile können über eine gemeinsame
Spule und über einen gemeinsamen Magnetanker geöffnet
oder geschlossen werden. Dadurch lässt sich der Volumenstrom
bzw. das Drehmoment der Maschine verändern, wobei eine „Abschaltung” der
zweiten Ebene über ein Schließen der Zwischenventile
erfolgt, so dass kein reibungsbehafteter Volumenstrom in Verbindung
mit der zweiten Ebene entsteht.
-
Nachteilig
an derartigen Verdrängermaschinen ist, dass die Zylinder-Kolben
Einheiten der zweiten radialen Ebene nur gemeinsam zu- oder abgeschaltet
werden können.
-
Dem
gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine
Verdrängermaschine zu schaffen, deren Volumenstrom bzw.
Drehmoment flexibler einstellbar ist.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Verdrängermaschine
nach Patentanspruch 1.
-
Die
erfindungsgemäße hydrostatische Verdrängermaschine
hat zumindest zwei radial oder axial zueinander beabstandeten Gruppen
von Zylinder-Kolben-Einheiten, wobei Zylinder der primären Gruppe
mit Zylindern der sekundären Gruppe über Zwischenventile
fluidisch verbindbar sind. Erfindungsgemäß sind
zumindest zwei Zwischenventile unabhängig voneinander schaltbar.
Dadurch ist die Flexibilität des Volumenstroms (bei einer
Pumpe) bzw. das Drehmoment (bei einem Motor) erhöht.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen beschrieben.
-
Bei
einer besonders bevorzugten Weiterbildung entspricht die Anzahl
der primären Zylinder-Kolben-Einheiten der Anzahl der sekundären
Zylinder-Kolben-Einheiten. Dabei sind Zylinderköpfe paarweise
aneinander befestigt und fluidisch über ein Zwischenventil
verbindbar, wobei alle Zwischenventile unabhängig voneinander
schaltbar sind. Durch diese 1-1-1-Beziehung zwischen primärem
Zylinder, Zwischenventil und sekundärem Zylinder ist die
Flexibilität der sekundären Zylinder-Kolben-Einheiten maximiert.
-
Bei
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Verdrängermaschine kann jede primäre Zylinder-Kolben-Einheit über
ein elektrisch oder elektrohydraulisch betätigtes Hochdruckventil
und über elektrisch oder elektrohydraulisch betätigtes
Niederdruckventil aktiviert und deaktiviert werden. Dadurch können
einzelne Zylinder-Kolben-Einheiten kraftlos geschaltet werden und so
der Volumenstrom bzw. die Drehzahl der Verdrängermaschine
eingestellt werden. Durch diese digital-displacement-unit (DDU)
ist auch die Flexibilität der primären Zylinder-Kolben-Einheiten
und damit der gesamten Verdrängermaschine maximiert.
-
Bei
einer bevorzugten Variante ist die Verdrängermaschine eine
Radialkolbenmaschine, wobei die primären Zylinder-Kolben-Einheiten
in einer primären radialen Ebene und die sekundären
Zylinder-Kolben-Einheiten in einer sekundären radialen Ebene
angeordnet sind, und wobei die Ebenen entlang einer Drehachse einer
Welle beabstandet voneinander angeordnet sind.
-
Dabei
ist es zur Gestaltung der Zwischenventile (insbesondere ihrer Bohrungen)
vorteilhaft, wenn die Zylinderköpfe jeweils paarweise in
Axialrichtung der Welle hintereinander angeordnet sind.
-
Bei
einer erfindungsgemäßen Variante ist die Verdrängermaschine
eine Axialkolbenmaschine, wobei die primären Zylinder-Kolben-Einheiten
auf einem inneren Kreiszylinder und die sekundären Zylinder-Kolben-Einheiten
auf einem äußeren Kreiszylinder angeordnet sind.
-
Bei
einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Verdrängermaschine sind die Zwischenventile als Sitzventile
ausgebildete entsperrbare Rückschlagventile, deren Schließrichtung
jeweils vom primären Zylinder zum sekundären Zylinder
gerichtet ist. Diese Ventile bietet eine vorrichtungstechnisch einfache
und dabei dichte Absperrung der sekundären Zylinder.
-
Wenn
die Verdrängermaschine ein Motor ist, wird es bevorzugt,
wenn ein Schließkörper jedes Rückschlagventils
in einer stromlosen Grundstellung einen jeweiligen Verbindungskanal
zwischen den Zylinderköpfen absperrt und in einer durch
einen Hubmagneten aktivierten Stellung den jeweiligen Verbindungskanal
freigibt. Damit können beim Hochfahren des Motors die sekundären
Einheiten durch Bestromung der Hubmagneten zugeschaltet werden,
um das Schluckvolumen und Drehmoment des Motors zu erhöhen.
Im Dauerbetrieb des Motors werden die sekundären Einheiten
durch Abschalten des Stromes für die Hubmagneten abgesperrt.
-
Dabei
kann jedes Rückschlagventil einen Ventilkörper
haben, dessen Hubrichtung etwa parallel zur Welle angeordnet ist,
wobei an einem Endabschnitt des Ventilkörpers der Schließkörper
und an einem anderen Endabschnitt des Ventilkörpers ein
Magnetanker des Hubmagneten angeordnet sind.
-
Dabei
kann jeder Hubmagnet auf der dem primären Zylinderkopf
abgewandten Seite des sekundären Zylinderkopfes angeordnet
sein, wobei jeder Ventilkörper einen Zwischenabschnitt
hat, der den jeweiligen Arbeitsraum des sekundären Zylinderkopfes
durchsetzt.
-
Bei
dem Ausführungsbeispiel DDU als Motor können die
Zwischenventile aus Kostengründen langsamer schaltend als
die Hochdruckventile und die Niederdruckventile ausgeführt
sein, wenn die Zwischenventile nur währen des Hochlaufens
des Motors aktiv sind und bei höheren Drehzahlen abschaltet
werden.
-
Bei
einer alternativen Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Verdrängermaschine sind die Zwischenventile Proportionalventile.
Damit kann eine Saugdrosselung erreicht werden, wodurch die zugeschalteten
sekundären Zylinder nicht komplett befüllt werden.
Dadurch werden die Volumenstrom- bzw. Drehzahlstufen, die sich durch
die Hubvolumina der sekundären Zylinder Kolben-Einheiten
in einer Kennlinie der Maschine ergeben, geglättet.
-
Wenn
die Zylinder der sekundären Gruppe größer
als die Zylinder der primären Gruppe sind, ergibt sich
eine Volumenstrom- bzw. Drehmomenterhöhung bei zugeschalteten
sekundären Einheiten, die mehr als eine Verdopplung ausmacht.
Dies kann je nach Einsatzanforderungen an die Maschine von Vorteil
sein.
-
Bei
einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Verdrängermaschine haben die sekundären Zylinder-Kolben-Einheiten
ein größeres Totvolumen als die primären
Zylinder-Kolben-Einheiten. Damit wird die „relative Expansion” des
Druckmittels im abgeschalteten Zustand der sekundären Zylinder-Kolben-Einheiten
beim Ausfahren ihrer Kolben verringert, wodurch die Verlustenergie
der Maschine in diesem Betriebszustand verringert wird.
-
Im
Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
-
1 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
ventilgesteuerten Radialkolbenmaschine in einem Längsschnitt;
und
-
2 einen
Ausschnitt des Ausführungsbeispiels gemäß 1.
-
1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
ventilgesteuerten Radialkolbenmaschine im Schnitt. Sie hat eine
primäre radiale Ebene 1 und eine sekundäre
radiale Ebene 2, wobei jede Ebene 1, 2 sechs
Zylinder-Kolben-Einheiten aufweist, die sternförmig um
eine Welle 4 angeordnet sind. Von den jeweils sechs Einheiten
sind in 1 nur zwei einander gegenüber
liegende Einheiten 6a, 6b bzw. 8a, 8b dargestellt.
Die Zylinder-Kolben-Einheiten 6a, 6b, 8a, 8b haben
jeweils einen Arbeitsraum 10a, 10b, 12a, 12b und
einen Kolben 14a, 14b, 16a, 16b,
wobei sich die Kolben 14a, 14b, 16a, 16b an
einem Exzenter 18 der Welle 4 abstützen.
-
Die
Welle 4, die je nach Betriebsart der gezeigten Radialkolbenmaschine
eine An- oder Abtriebswelle ist, ist zusammen mit dem daran befestigten
Exzenter 18 über zwei Wälzlager 20, 22 drehbar in
der Radialkolbenmaschine gelagert. Dabei zeigt 1 eine
Drehposition des Exzenters 18, bei dem ein Umfangsabschnitt
mit vergleichsweise großem Radius (in 1)
oberhalb der Welle 4 angeordnet ist, während ein
Umfangsabschnitt mit vergleichsweise kleinem Radius des Exzenters 18 unterhalb
der Welle 4 angeordnet ist. Somit sind die (in 1)
oberen Kolben 14a, 16a – bezogen auf
ihren Arbeitshub – am oberen Totpunkt, während
die beiden gegenüber liegenden Kolben 14b, 16b an
ihrem – bezogen auf ihren Arbeitshub – unteren
Totpunkt dargestellt sind.
-
Die
primären Zylinder-Kolben-Einheiten 6a, 6b sind
als Digital-Displacement-Units (DDU's) ausgebildet und haben jeweils
ein elektrisch betätigtes Hochdruckventil (nicht gezeigt)
und ein elektrisch betätigtes Niederdruckventil 24a, 24b.
Dadurch kann jede primäre Zylinder-Kolben-Einheit 6a, 6b entweder
im Motor- bzw. im Pumpenmodus oder im Idle-Modus betrieben werden.
Im Idle-Modus wird der entsprechende primäre Arbeitsraum 10a, 10b über das
Niederdruckventil 24a, 24b dauerhaft mit einem Niederdruckanschluss
der Maschine verbunden und von einem Hochdruckanschluss (beide nicht
gezeigt) getrennt und somit kraftlos bzw. inaktiv geschaltet. Zum
Beispiel können drei der insgesamt sechs primären
Zylinder-Kolben-Einheiten 6a, 6b durch den Idle-Modus
deaktiviert werden. Dadurch wird ein Fördervolumen (im
Falle einer Pumpe) bzw. ein Abtriebsdrehmoment der Welle 4 (im
Falle eines Motors) reduziert.
-
2 zeigt
einen Ausschnitt der Radialkolbenmaschine gemäß 1.
Dabei ist nur eines der insgesamt sechs Paare von Zylinder-Kolben-Einheiten
bestehend aus einer primären Einheit 6a und einer
zugeordneten sekundären Einheit 8a dargestellt. Die
Zylinder 26a, 28a sind schwenkbar in einem Zylinderkopf 30a, 32a aufgenommen,
damit der im Zylinder 26a, 28a geführte
Kolben 14a, 16a auch an den schrägen Übergangsbereichen
(nicht gezeigt) des Exzenters 18 gleichmäßig
anliegen kann. Dabei werden die Kolben 14a, 16a jeweils
von einer sich am Zylinder 26a, 28a abstützenden
Druckfeder 34a, 36a gegen den Exzenter 18 vorgespannt.
-
Jedes
Niederdruckventil 24a ist im Zylinderkopf 30a der
primären Einheit 6a eingesetzt. Es hat eine Spule,
die als Hubmagnet dient, über den ein Ventilkörper 40 bewegt
werden kann, so dass dieser die Verbindung des Arbeitsraums 10a zum
Niederdruckanschluss steuert. Hochdruckseitig ist in 2 nur
ein Abschnitt eines Hochdruckkanals 42 gezeigt, der seitlich
in den Arbeitsraum 10a mündet, und dessen Verbindung
mit Hochdruck über ein (nicht gezeigtes) Hochdruckventil
gesteuert wird.
-
Im
zugeordneten sekundären Zylinderkopf 32a ist ein
Verschluss 44 dichtend eingesetzt, dessen Größe
etwa derjenigen des Niederdruckventils 24a entspricht.
-
Erfindungsgemäß sind
alle primären Arbeitsräume 10a über
je einen Verbindungskanal 46, 48 mit je einem
sekundären Arbeitsraum 12a verbunden. Dabei erstreckt
sich jeder Verbindungskanal 46, 48 etwa parallel
zur Welle 4 und mündet in die jeweiligen Zylinderköpfe 30a, 32a.
Zwischen dem primärseitigen Verbindungskanalabschnitt 46 und
dem sekundärseitigen Verbindungskanalabschnitt 48 ist
ein entsperrbares Rückschlagventil 50 angeordnet,
dessen etwa kugelförmiger Schließkörper 51 im
gezeigten geschlossenen Zustand des Ventils dichtend an einem Ventilsitz
anliegt.
-
Ein
Stab 52 des Ventilkörpers verbindet den Schließkörper 51 mit
einem Magnetanker 54. Der Stab 52 erstreckt sich
dabei vom Schließkörper 51 durch den
sekundärseitigen Verbindungskanalabschnitt 48,
durch den vom Zylinderkopf 32a umfassten Abschnitt des
Arbeitsraums 12a und erstreckt sich weiterhin dichtend
durch den Zylinderkopf 32a, bis er an dessen Außenseite
mit dem Magnetanker 54 verbunden ist. Der Magnetanker 54 ist
von einer Spule 56, die einen Hubmagneten bildet, umgriffen.
-
Erfindungsgemäß ist
jedem Verbindungskanal 46, 48 und jedem Rückschlagventil 50 einseparater
Hubmagnet 54, 56 zugeordnet, so dass jede einzelne
sekundäre Zylinder-Kolben-Einheit 8a der primären
Einheit 6a zugeschaltet oder von ihr getrennt werden kann.
-
Durch
die in 2 stromlos gezeigte Spule 56 liegt der
Schließkörper 51 am Ventilsitz an und wird
dort entweder durch den Druck im Arbeitsraum 10a oder durch
eine (nicht gezeigte) zusätzliche Feder gehalten. Bei Bestromung
der Spule 56 wird der Schließkörper 51 vom
Magnetanker 54 über den Stab 52 (in 2)
nach rechts verschoben, so dass der Verbindungskanal 46, 48 geöffnet
ist. Damit ist der primäre Arbeitsraum 10a um
den sekundären Arbeitsraum 12a vergrößert,
wobei die beiden Kolben 14a, 16a synchrone Arbeitshübe
durchführen. Damit sind z. B. im Falle eines Motors sein
Schluckvolumen und sein Drehmoment erhöht. Dieser Betriebszustand
des Motors ist z. B. beim An- oder Hochfahren des Motors von Vorteil,
während bei einer höheren Drehzahl (z. B. Nenndrehzahl)
die sekundären Einheiten 8a wieder von den primären
Einheiten 6a getrennt werden.
-
Durch
die Absperrmöglichkeit der sekundären Zylinder-Kolben-Einheiten
ist das weitgehend wirkungslose aber reibungsbehaftete Ein- und
Ausströmen von Druckmittel in Arbeitsräume im
Idle-Modus reduziert. Durch die erfindungsgemäß einzeln schaltbaren
Zwischenventile ist die Flexibilität der Maschine insbesondere
durch feinstufige Wechselmöglichkeiten des Betriebszustandes
erhöht.
-
Abweichend
von dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann jeder Hubmagnet
auf der dem sekundären Zylinderkopf abgewandten Seite des
primären Zylinderkopfes angeordnet sein, wobei jeder Ventilkörper
einen Zwischenabschnitt hat, der einen Arbeitsraum des jeweiligen
primären Zylinderkopfes durchsetzt. Dieses Ausführungsbeispiel
hat den Vorteil, dass der Hubmagnet nicht im Druckmittel, sondern
im Trockenen liegt.
-
Offenbart
ist eine hydrostatische Verdrängermaschine mit zumindest
zwei radial oder axial zueinander beabstandeten Gruppen von Zylinder-Kolben-Einheiten,
wobei Zylinder der primären Gruppe mit Zylindern der sekundären
Gruppe über Zwischenventile fluidisch verbindbar sind.
Dabei sind zumindest zwei Zwischenventile unabhängig voneinander
schaltbar.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- primäre
radiale Ebene
- 2
- sekundäre
radiale Ebene
- 4
- Welle
- 6a,
6b
- primäre
Zylinder-Kolben-Einheit
- 8a,
8b
- sekundäre
Zylinder-Kolben-Einheit
- 10a,
10b
- primärer
Arbeitsraum
- 12a,
12b
- sekundärer
Arbeitsraum
- 14a,
14b
- primärer
Kolben
- 16a,
16b
- sekundärer
Kolben
- 18
- Exzenter
- 20,
22
- Wälzlager
- 24a,
24b
- Niederdruckventil
- 26a
- primärer
Zylinder
- 28a
- sekundärer
Zylinder
- 30a
- primärer
Zylinderkopf
- 32a
- sekundärer
Zylinderkopf
- 34a
- primäre
Druckfeder
- 36a
- sekundäre
Druckfeder
- 38
- Spule
- 40
- Ventilkörper
- 42
- Hochdruckkanal
- 44
- Verschluss
- 46,
48
- Verbindungskanalabschnitt
- 50
- Rückschlagventil
- 51
- Schließkörper
- 52
- Stab
- 54
- Magnetanker
- 56
- Spule
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2008/012558
A2 [0005]
- - WO 2006/109079 [0008]
