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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer ventilgesteuerten Kolbenpumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder 5 und eine ventilgesteuerte Kolbenpumpe.
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Bei herkömmlichen Kolbenpumpen, die z. B. als Radialkolben- oder als Axialkolbenpumpen ausgeführt sein können, erfolgt die Steuerung des Zulaufes und des Ablaufes bzw. die Steuerung der Verbindungen der Hoch- und der Niederdruckseite zu den einzelnen Zylinder-Kolben-Einheiten mechanisch bzw. passiv. Im Falle einer Axialkolbenpumpe z. B. werden gemäß dem Stand der Technik zwei Drucknieren eingesetzt, über die die Verbindungen zur Hochdruckseite und zur Niederdruckseite während eines gewissen Bereiches einer Kreisbahn und somit während eines gewissen Hubabschnitts der Zylinder-Kolben-Einheiten geöffnet werden. Bei Radialkolbenpumpen können pro Zylinder-Kolben-Einheit z. B. ein passives Hochdruck- und eine passives Niederdruckventil vorgesehen sein. Die Hochdruckventile öffnen zyklisch bei Überschreiten eines gewissen Drucks im jeweiligen Zylinder, so dass das druckerhöhte Druckmittel zur Hochdruckseite der Pumpe abströmen kann.
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Nachteilig an derartigen Kolbenpumpen ist, dass immer alle Zylinder-Kolben-Einheiten aktiv sind und so den Fördervolumenstrom bestimmen.
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Bei ventilgesteuerten Radialkolbenpumpen bzw. „digital variable radial piston machines” (DVR's) sind gemäß dem Stand der Technik jeder Zylinder-Kolben-Einheit ein elektrisch betätigtes Niederdruckventil und ein passives oder ebenfalls elektrisch betätigtes Hochdruckventil zugeordnet. Damit kann jede Zylinder-Kolben-Einheit unabhängig von den anderen Einheiten im herkömmlichen Full-Modus oder in einem so genannten Partial-Modus oder in einem so genannten Idle-Modus angesteuert werden. Im Idle-Modus wird die Einheit durch dauerhaftes Öffnen ihres Niederdruckventils komplett deaktiviert bzw. kraftlos geschaltet. Im Partial-Modus wird das Fördervolumen der Einheit durch verkürztes Öffnen ihres Niederdruckventils mit Phasenanschnitt-, Phasenabschnitt- oder Phasenausschnittsteuerung verringert. So kann der Volumenstrom der gesamten Kolbenpumpe durch elektrische Steuerung reduziert werden.
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In der
EP 1 537 333 B1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen ventilgesteuerten Kolbenmaschine mit freiem Schaltmuster offenbart.
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Die Druckschrift
DE 10 2006 041 087 A1 zeigt ein Verfahren zu Minimierung der Pulsation einer ventilgesteuerten Kolbenmaschine mit neun Zylinder-Kolben-Einheiten über ihren gesamten Fördervolumenbereich. Ausgehend von allen neun Einheiten im Full-Modus werden für abnehmenden Fördervolumenstrom alle Einheiten im Partial-Modus betrieben und dadurch herunter gefahren. Dann werden drei Einheiten über den Idle-Modus wirkungslos geschaltet; und die übrigen sechs Einheiten werden im Partial Modus betrieben. Dann werden wieder alle Einheiten im Partial Modus mit abnehmendem Fördervolumen betrieben. Es folgt ein Bereich, bei dem nur drei Einheiten im Partial-Modus betrieben werden, und schließlich – bei minimalem Fördervolumen der Kolbenmaschine werden wieder alle neun Einheiten im Partial-Modus betrieben.
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Nachteilig an derartigen Verfahren zum Betrieb von ventilgesteuerten Kolbenpumpen ist die verbleibende Pulsation ihres Fördervolumenstromes.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betrieb einer ventilgesteuerten Kolbenpumpe und eine derartige Kolbenpumpe zu schaffen, bei denen die Pulsation weiter verringert ist, so dass z. B. ein von der Kolbenpumpe versorgter Hydromotor oder Hydrozylinder ruckfrei anfährt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer ventilgesteuerten Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder 5 oder mit einer ventilgesteuerten Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
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Eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erhöhung eines Fördervolumenstroms einer ventilgesteuerte Kolbenpumpe mit mehreren Zylinder-Kolben-Einheiten dient insbesondere zur Versorgung eines Hydromotors oder eines Hydrozylinders. Jede Zylinder-Kolben-Einheit hat ein aktiv steuerbares Niederdruck- oder Saugventil. Das Verfahren hat folgende Betriebsarten:
eine erste Betriebsart mit einer (mP = 1) oder mehreren (1 < mP < n) oder allen (mP = n) Zylinder-Kolben-Einheiten im Partial-Modus; und
eine darauf folgende zweite Betriebsart mit einer (mF = 1) oder mehreren (1 < mF < n) Zylinder-Kolben-Einheiten im Full-Modus und mit den anderen Zylinder-Kolben-Einheiten im Partial-Modus (mP = n – mF). Dabei ist n die Anzahl der Einheiten der Maschine, mP ist die Anzahl der im Partial-Modus und mF ist die Anzahl der im Full-Modus betriebenen Einheiten. Durch dieses Verfahren lässt sich die Pulsation der Kolbenpumpe verringern.
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Eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erhöhung eines Fördervolumenstroms einer ventilgesteuerte Kolbenpumpe mit mehreren Zylinder-Kolben-Einheiten dient insbesondere zur Versorgung eines Hydromotors oder eines Hydrozylinders. Dabei hat jede Zylinder-Kolben-Einheit ein aktiv steuerbares Niederdruck- oder Saugventil, und im Zulauf der Kolbenpumpe ist eine elektrisch einstellbare Saugdrossel angeordnet. Das Verfahren hat folgende Betriebsarten:
eine erste Betriebsart mit allen Zylinder-Kolben-Einheiten im Full-Modus (mF = n) und mit gleichzeitigem – vorzugsweise stetigem – Öffnen des Saugdrossel und
eine darauf folgende zweite Betriebsart mit einer (mF = 1) oder mehreren (1 < mF < n) Zylinder-Kolben-Einheiten im Full-Modus und mit den anderen Zylinder-Kolben-Einheiten im Partial-Modus (mP = n – mF) bei offener Saugdrossel. Auch dadurch lässt sich die Pulsation der Kolbenpumpe verringern.
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Bei einer Verringerung des Fördervolumenstroms erfolgt erfindungsgemäß entsprechend zunächst die zweite Betriebsart und darauf folgt die erste Betriebsart.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Anzahl der in der ersten Betriebsart im Partial-Modus betriebenen Zylinder-Kolben-Einheiten gleich der Anzahl der in der zweiten Betriebsart im Full-Modus betriebenen Zylinder-Kolben-Einheiten.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der ersten Variante des Verfahrens erfolgt während der ersten Betriebsart über ein in einer Steuereinheit hinterlegten Schaltmuster eine etwa gleichmäßige Erhöhung des Fördervolumenstroms.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der ersten Variante des Verfahrens erfolgt während der ersten Betriebsart eine Erhöhung des Fördervolumenstroms bis zum einem Wert, der demjenigen von drei Zylinder-Kolben-Einheiten entspricht. Damit lässt sich eine derart geringe Volumenstrom und Druckpulsation erreichen, dass zusätzliche Dämpfungs- und Glättungsmaßnahmen entfallen können.
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Bei einer ersten bevorzugten Weiterbildung der zweiten Variante des Verfahrens wird in der ersten Betriebsart die Saugdrossel bis zu einem Fördervolumenstrom der Kolbenpumpe geöffnet, der dem Fördervolumenstrom einer Zylinder-Kolben-Einheit entspricht. In der zweiten Betriebsart ist dann eine Zylinder-Kolben-Einheit im Full-Modus (mF = 1), während die anderen Zylinder-Kolben-Einheiten im Partial-Modus sind (mP = n – 1).
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Bei einer zweiten bevorzugten Weiterbildung der zweiten Variante des Verfahrens wird in der ersten Betriebsart die Saugdrossel bis zu einem Fördervolumenstrom der Kolbenpumpe geöffnet, der dem Fördervolumenstrom dreier Zylinder-Kolben-Einheiten entspricht. In der zweiten Betriebsart sind dann drei Zylinder-Kolben-Einheiten im Full-Modus (mF = 3), während die anderen Zylinder-Kolben-Einheiten im Partial-Modus sind (mP = n – 3). Auch damit lässt sich eine derart geringe Volumenstrom- und Druckpulsation erreichen, dass zusätzliche Dämpfungs- und Glättungsmaßnahmen entfallen können.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Partial-Modus über Phasenanschnittssteuerung mit zunehmendem Fördervolumenstrom realisiert.
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Die erfindungsgemäße ventilgesteuerte Kolbenpumpe mit mehreren Zylinder-Kolben-Einheiten, von denen jede ein aktiv steuerbares Saugventil hat, wodurch die Zylinder-Kolben-Einheit im Full-Modus oder im Partial-Modus oder im Idle-Modus betreibbar ist, hat eine im Zulauf der Kolbenpumpe angeordnetes elektrisch einstellbare Saugdrossel. Damit lässt sich die Pulsation der Kolbenpumpe minimieren.
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Im Folgenden werden anhand der Figuren verschiede Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
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1 eine ventilgesteuerten Radialkolbenpumpe in einer schematischen Darstellung, die gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens betreibbar ist; und
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2 einen Ausschnitt einer ventilgesteuerten Radialkolbenpumpe mit einer beispielhaften Zylinder-Kolben-Einheit in einer schematischen Darstellung, die gemäß einem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens betreibbar ist.
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Im Folgenden wird zunächst anhand 1 das Funktionsprinzip einer ventilgesteuerten Kolbenpumpe erläutert, deren Fördervolumen digital verstellbar ist (DVR). Die Kolbenpumpe ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Axialkolbenpumpe 1 in Taumelscheibenbauweise ausgeführt, wobei 1 eine sehr stark schematisierte Abwicklung zeigt. Hinsichtlich detaillierter Ausführungen wird auf den eingangs beschriebenen Stand der Technik verwiesen.
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Gemäß der schematischen Darstellung in 1 hat die Axialkolbenpumpe 1 eine Zylindertrommel 2, in der neun Zylinderbohrungen ausgebildet ist, in denen jeweils ein Kolben 6 axial verschiebbar geführt ist. Jeder der Kolben 6 begrenzt mit dem so gebildeten Zylinder 4 einen Arbeitsraum 8, dessen Volumen vom Hub des Kolbens 6 abhängig ist. Die Kolben 6 sind jeweils über einen Kolbenschuh 10 an einer schräg angestellten Taumelscheibe abgestützt, die mit einer Antriebswelle 12 verbunden ist. In der Darstellung gemäß 1 ist die aufgrund der Rotation der Taumelscheibe gebildete Steuerkurve 14 dargestellt, die die Drehwinkelabhängigkeit des Kolbenhubs und damit des Volumens des jeweiligen Arbeitsraumes 8 wiedergibt.
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Wie in 1 rechts dargestellt, ist jeder Arbeitsraum 8 über ein Saugventil 22 mit einer allen Arbeitsräumen 8 gemeinsamen Zulaufleitung 20 verbunden, die mit einem Tank T verbunden ist. Jeder Arbeitsraum 8 ist des Weiteren über ein Ablaufventil 16 mit einer ebenfalls allen Arbeitsräumen 8 gemeinsamen hochdruckseitigen Arbeitsleitung 24 verbunden, die mit einem (nicht gezeigten) zu versorgenden Hydromotor oder Hydrozylinder verbunden ist.
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Damit sind bei der erfindungsgemäß betreibbaren Axialkolbenpumpe 1 neben den Saugventilen 22 auch die Ablaufventile 16 als elektrisch entsperrbare Rückschlagventile ausgeführt. Die Ablaufventile 16 sind über eine (nicht dargestellte) Feder in ihrer dargestellte Schließ- bzw. Rückschlagposition vorgespannt und lassen sich durch Bestromen eines Magnetaktors 28 in eine Öffnungsstellung bringen, so dass das druckerhöhte Druckmittel aus dem Arbeitsraum 8 in die Arbeitsleitung 24 einströmen kann.
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Das Saugventil 22 ist in seiner dargestellten Grundposition über eine (nicht dargestellte) Feder in die in 1 dargestellte Schließ- bzw. Rückschlagstellung vorgespannt. Durch Bestromen eines Magnetaktors 30 lässt sich das Saugventil 22 in eine Öffnungsposition bringen, in der das Druckmittel vom Tank nachgesaugt werden kann. Insbesondere kann bei der Öffnungsposition auch bei einem Verdrängerhub des Kolbens 8 das entsprechende Druckmittel zum Tank T zurückströmen, wodurch – je nach Dauer der Öffnungsposition – der Partial- oder der Idle-Modus erzeugt und somit der Fördervolumenstrom der Axialkolbenpumpe 1 reduziert wird.
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Die Ansteuerung der beiden Magnetaktoren 28, 30 jedes Zylinders 4 erfolgt über eine Steuereinheit 34, über die die beschriebenen Modi (Full-Modus, Partial-Modus, und Idle-Modus) einstellbar sind, so dass das Fördervolumen der Axialkolbenpumpe 1 nahezu stufenlos verstellbar ist. Die Ansteuerung der Ventile 16, 22 erfolgt dabei in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Abtriebswelle 12, die über eine Winkelpositions-Erfassungseinrichtung 36 erfasst und über eine Signalleitung 38 an die Steuereinheit 34 gemeldet wird.
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Im Folgenden wird eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum pulsationsarmen Betrieb der Axialkolbenpumpe 1 gemäß 1 beschrieben. Dabei wird beispielhaft derjenige Fall erläutert, bei dem das Fördervolumen der Axialkolbenpumpe 1 von null bis zu ihrem Maximum geändert werden soll:
Zunächst sind alle neun Zylinder-Kolben-Einheiten 4, 6 in den Idle-Modus geschaltet. Dabei sind die jeweiligen Saugventile 22 dauerhaft bestromt und damit geöffnet, so dass das in einem Saughub (in 1 nach unten) aus dem Tank T angesaugte Druckmittel in dem jeweiligen darauffolgenden Verdrängerhub (in 1 nach oben) zurück zum Tank T ausgeschoben wird.
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Um zunächst einen minimalen Fördervolumenstrom zu erzeugen, werden bei diesem Ausführungsbeispiel drei der neun Zylinder-Kolben-Einheiten 4, 6 im Partial-Modus mit zunehmender Tendenz betrieben. Dazu werden die jeweiligen Saugventile 22 während der jeweiligen Verdrängerhübe der drei Kolben 6 über zunehmende Zeit geschlossen, während die zugehörigen Ablaufventile 16 für die entsprechende Zeit geöffnet werden. Dies geschieht über ein Schaltmuster, das in der Steuereinheit 34 hinterlegt ist. Somit kann der aufsummierte Fördervolumenstrom der drei betroffenen Einheiten über die Arbeitsleitung 24 zum (nicht gezeigten) Hydromotor oder Hydrozylinder strömen.
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Wenn die drei betroffenen Einheiten 4, 6 gemeinsam den Full-Modus erreicht haben, wird erfindungsgemäß in die zweite Betriebsartgewechselt. Dabei werden zusätzlich zu den drei im Full-Modus befindlichen Einheiten 4, 6 die anderen sechs Einheiten 4, 6 etwa gleichmäßig zueinander im Partial-Modus mit zunehmender Tendenz betrieben. Dies erfolgt prinzipiell auf die gleiche Weise wie mit Bezug zu den ersten drei Einheiten 4, 6 beschrieben wurde.
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Schließlich sind auch die letzten sechs und damit alle Einheiten 4, 6 im Full-Modus, so dass die Axialkolbenpumpe 1 ihren maximalen Fördervolumenstrom aufweist.
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2 zeigt einen Ausschnitt einer ventilgesteuerten Radialkolbenpumpe 101 mit einer beispielhaften Zylinder-Kolben-Einheit 104, 106 in einer schematischen Darstellung, die gemäß einem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens betreibbar ist. Eine rotierende exzentrische Steuerkurve 114 wird über eine Welle 112 von einem Motor 100 angetrieben. Die Radialkobenpumpe 101 weist mehrere Zylinder-Kolben-Einheiten 104, 106 auf, von denen in 2 beispielhaft nur ein Zylinder 104 mit dem darin geführten Kolben 106 gezeigt ist. Jeder Kolben 106 stütz sich über einen Kolbenschuh 110 an der Steuerkurve 114 ab.
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Hochdruckseitig (HP) ist je Einheit 104, 106 ein Ablaufventil 116 vorgesehen, das über einen Magnetaktor 128 elektrisch betätigt wird. In einem in 2 gezeigten stromlosen Zustand und ist das Ablaufventil 116 ein durch eine Feder 116a vorgespanntes Rückschlagventil. Es öffnet vom Zylinder 104 zu einer Arbeitsleitung 124, wenn der Druck im Zylinder 104 größer ist, als derjenige der Arbeitsleitung 124 bzw. des (nicht gezeigten) Verbrauchers. Bei Bestromung des Magnetaktors 128 öffnet das Ablaufventil 116.
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Niederdruckseitig (LP) ist jeder Zylinder 104 über ein Saugventil 122 mit einer Zulaufleitung 120 verbunden. In einer durch einen Magnetaktor 130 bestromten und in der in der 2 gezeigten Stellung ist das Saugventil 122 geöffnet. In einer durch eine Zugfeder 122a vorgespannten Grundstellung bildet das Saugventil ein Rückschlagventil, das in einer Richtung vom Zylinder 104 zur Zulaufleitung 120 absperrt und in Gegenrichtung gegen die Kraft der Zugfeder 122a öffnet.
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In der Zulaufleitung 120 zwischen einem Tank T und den Saugventilen 122 ist eine Saugdrossel 140 angeordnet. Ihr Öffnungsquerschnitt ist elektrisch einstellbar. Sie kann in ein (nicht gezeigtes) Gehäuse der Radialkolbenpumpe 101 integriert sein.
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Das Saugventil 122 und das Ablaufventil 116 sind bei jeder Zylinder-Kolben-Einheit 104, 106 vorgesehen, von denen in 2 nur eine Einheit 104, 106 gezeigt ist. Die Arbeitsleitung 124, die Zulaufleitung 120, die Saugdrossel 140 und der Tank T sind einmal für die ganze Radialkolbenpumpe 101 vorgesehen.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sind – wie beim ersten Ausführungsbeispiel – zwei Betriebsarten vorgesehen, die wiederum am Beispiel einer stetigen Erhöhung des geförderten Volumenstroms der Radialkolbenpumpe 101 erläutert werden. In der erste Betriebsart werden alle Ventile 122, 116 in den Full-Modus geschaltet. Zur Beginn wird die Saugdrossel 140 geschlossen. Während der ersten Betriebsart wird die Saugdrossel 140 allmählich geöffnet. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis das Fördervolumen mindestens einer Zylinder-Kolben-Einheit erreicht ist. In der zweiten Betriebsart wird eine Einheit in den Full-Modus geschaltet und gleichzeitig wird die Saugdrossel 140 voll geöffnet.
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Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Bezug zu 2 wird in einer ersten Betriebsart der Fördervolumenstrom durch Öffnung der Saugdrossel 140 soweit vergrößert, bis das volle Fördervolumen von drei Einheiten 104, 106 erreicht ist. Erst dann werden gemäß der zweiten Betriebsart drei Einheiten 104, 106 im Full-Modus betrieben. Bei dieser Anzahl bzw. Verteilung von Zylinder-Kolben-Einheiten 104, 106 lässt sich eine derartig geringe Volumenstrom- und Druckpulsation erreichen, dass zusätzliche Dämpfungs- oder Glättungsmaßnahmen nicht erforderlich sind.
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Abweichend von den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann auch eine von eins oder drei abweichende Zahl Zylinder-Kolben-Einheiten 4, 6 bzw. 104, 106 im in der ersten Betriebsart hochgefahren und in der zweiten Betriebsart im Full-Modus betrieben werden.
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Offenbart sind zwei Varianten eines Verfahrens zur Erhöhung eines Fördervolumenstroms einer ventilgesteuerten Kolbenpumpe mit mehreren Zylinder-Kolben-Einheiten, von denen jede ein aktiv steuerbares Saugventil hat.
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Die erste Variante hat eine erste Betriebsart mit einer oder mehreren oder allen Zylinder-Kolben-Einheiten im Partial-Modus und eine darauf folgende zweite Betriebsart mit einer oder mehreren Einheiten im Full-Modus und mit den anderen Einheiten im Partial-Modus.
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Bei der zweiten Variante des Verfahrens ist in einem Zulauf der Kolbenpumpe eine elektrisch einstellbare Saugdrossel angeordnet. Dann hat das Verfahren eine erste Betriebsart mit allen Zylinder-Kolben-Einheiten im Full-Modus und mit gleichzeitigem vorzugsweise stetigen Öffnen der Saugdrossel und eine darauf folgende zweite Betriebsart mit einer oder mehreren Einheiten im Full-Modus und mit den anderen Einheiten im Partial-Modus bei offener Saugdrossel.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1537333 B1 [0005]
- DE 102006041087 A1 [0006]
