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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit mehreren ventilgesteuerten Kolbenmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ventilgesteuerte Kolbenmaschinen haben gemäß dem Stand der Technik eine Gruppe von Zylinder-Kolben-Einheiten, denen jeweils ein elektrisch betätigtes Niederdruckventil und ein passives oder ebenfalls elektrisch betätigtes Hochdruckventil zugeordnet sind. Damit kann jede Zylinder-Kolben-Einheit unabhängig von den anderen Einheiten der Maschine neben dem herkömmlichen Full-Modus auch in einem so genannten Idle-Modus oder in einem so genannten Partial-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 unterschiedlich langes Öffnen ihrer Ventile mit Phasenanschnitt-, Phasenabschnitt- oder Phasenausschnittsteuerung verringert. So kann der Volumenstrom der gesamten Kolbenpumpe bzw. die Drehzahl des gesamten Kolbenmotors durch elektrische Steuerung gegenüber dem herkömmlichen Full-Modus reduziert werden.
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Weiterhin sind Vorrichtungen mit mehreren ventilgesteuerten Kolbenmaschinen bekannt, wie z. B. ein hydraulisches Getriebe mit einer Primäreinheit (insbesondere Pumpe) und mit einer Sekundäreinheit (insbesondere Motor).
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Hinweis zur Begriffsklärung: in dieser Schrift wird unter ventilgesteuerter Kolbenmaschine eine Gruppe von Zylinder-Kolben-Einheiten verstanden, wobei eine Vorrichtung mit mehreren derartigen Gruppen bzw. mehreren derartigen Maschinen in einem Gehäuse zusammen gefasst sein kann. Unter einer ventilgesteuerten Radialkolbenmaschinen bzw. „digital variable radial piston machine” DVR wird – dem entsprechend – genau eine Scheibe mit sternförmig angeordneten Zylinder-Kolben-Einheiten verstanden.
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Die Druckschrift
WO 2008/009950 A1 zeigt eine Vorrichtung mit benachbart zueinander angeordneten Scheiben bzw. DVR's in einem Gehäuse. Jede Scheibe bzw. DVR hat einen eigenen Druckanschluss. Diese Druckanschlüsse können über Ventile zusammengeschaltet werden, wodurch sich Gruppen von Scheiben bzw. DVR's erzeugen lassen.
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Nachteilig an der letztgenannten Vorrichtung ist, dass nur ein gemeinsames elektronisches Steuergerät vorhanden ist, das eine Vielzahl von Spulen verschiedener Scheiben bzw. DVR's steuern muss und dementsprechend vorrichtungstechnisch aufwändig ist. Dabei gilt: Anzahl der zu steuernden Spulen = Anzahl der Scheiben bzw. DVR's·Anzahl der Kolben pro Scheibe·Anzahl der Spulen pro Ventil·2 Ventile
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Der zuletzt genannte Multiplikator ist allerdings nur dann zwingend notwendig, wenn die Scheibe bzw. DVR als Motor betrieben wird, denn bei einer Pumpe kann das Hochdruckventil jeder Zylinder-Kolben-Einheit passiv sein.
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Nachteilig ist weiterhin, dass ein komplexes Steuergerät gemäß der
WO 2008/ 009950 A1 nur bei einer anderen Vorrichtung mit verschiedenen Scheiben bzw. DVR's eingesetzt werden kann, die die gleiche Konfiguration aufweist.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung mit mehreren ventilgesteuerten Kolbenmaschinen zu schaffen, die modular kombinierbar sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit mehreren ventilgesteuerten Kolbenmaschinen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat mehrere ventilgesteuerte Kolbenmaschinen, die jeweils genau eine Gruppe von Zylinder-Kolben-Einheiten haben. Dabei hat jede Zylinder-Kolben-Einheit ein über zumindest eine Spule aktiv steuerbares Niederdruckventil. Erfindungsgemäß ist jeder Kolbenmaschine ein elektronisches Steuergerät zugeordnet. Damit können modular verschiedene Vorrichtungen erzeugt werden, die aus unterschiedlichen Kombinationen von Kolbeneinheiten mit jeweils zugeordnetem Steuergerät bestehen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Vorzugsweise ist zumindest eine der Kolbenmaschinen modular in der Vorrichtung angeordnet und auswechselbar. So kann eine Vorrichtung auch umgerüstet werden, in dem eine Kolbenmaschine entfernt, zugefügt oder getauscht wird.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat einen modularen Kabelbaum, an den die Steuergeräte angeschlossen sind. Dieser kann auch eine Vielzahl von Anschlüssen für Steuergeräte haben, von denen evtl. nur eine Teilmenge angeschlossen und genutzt wird. Dieser Kabelbaum kann eine Vielzahl von möglichen Konfigurationen abdecken, um diesbezüglich die Teilevielfalt und die Verwechslungsgefahr und damit den Montageaufwand zu reduzieren.
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Wenn jede Zylinder-Kolben-Einheit der Kolbenmaschine auch ein über zumindest eine Spule aktiv steuerbares Hochdruckventil hat, kann die Kolbenmaschine auch als Motor betrieben werden.
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Wenn jedes Niederdruckventil und jedes Hochdruckventil über genau eine Spule steuerbar ist, ist der vorrichtungstechnische Aufwand der Kolbeneinheit minimiert.
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Bei einer ersten bevorzugten Variante hat ein erstes Steuergerät eine Masterfunktionalität und ist somit ein Mastersteuergerät, während die übrigen Steuergeräte Slave-Steuergeräte sind.
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Bei einer zweiten bevorzugten Variante sind die den Kolbenmaschinen zugeordneten Steuergeräte Slave-Steuergeräte, und es ist weiterhin ein Mastersteuergerät vorgesehen, das eine Masterfunktionalität hat. Je nach „Intelligenz” der einzelnen Steuergeräte könnte die Masterfunktionalität jedoch auch überflüssig sein.
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Damit hat jede Vorrichtung eine übergeordnete Masterfunktionalität, die mit einem weiteren übergeordneten Steuergerät kommunizieren kann.
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Bei einer besonders vorteilhaften Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind eine erste Vorrichtung und eine zweite Vorrichtung zu einem hydraulischen Getriebe kombiniert. Dabei hat die erste Vorrichtung zumindest eine, vorzugsweise zwei, als Pumpe betriebene ventilgesteuerte Kolbenmaschinen, und die zweite Vorrichtung hat zumindest eine, vorzugsweise vier, als Motor betriebene ventilgesteuerte Kolbenmaschinen.
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Im Folgenden werden anhand einer Figur zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben.
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Die Figur zeigt ein hydraulisches und elektrisches Schaltschema einer Kombination eines ersten Ausführungsbeispiels und eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Im linken Bereich der Figur ist das erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei hydraulischen Verdrängereinheiten gezeigt, die als Pumpenscheiben 1, 2 ausgebildet sind. Die Vorrichtung ist mit zwei Steuergeräten 4, 6 ausgerüstet, die jeweils die nötige Elektronik zur Ansteuerung der Pumpenscheiben 1, 2 enthalten. Weiterhin ist im mittleren und im rechten Bereich der Figur ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit vier hydraulischen Verdrängereinheiten dargestellt, die als Motorscheiben 8, 10, 12, 14 ausgebildet sind. Die zweite Vorrichtung ist mit vier Steuergeräten 16, 18, 20, 22 ausgerüstet, die jeweils die nötige Elektronik zur Ansteuerung der Motorscheiben 8, 10, 12, 14 enthalten.
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Die Scheiben 1, 2, 8, 10, 12, 14 haben jeweils sechs radial angeordnete Zylinder-Kolben-Einheiten 24, 26, 28, 30, 32, 34, deren Kolben in Wirkverbindung mit einer (nicht gezeigten) exzentrischen Kurvenscheibe eine Hubbewegung ausführen. Dabei werden die beiden Pumpenscheiben 1, 2 von einer gemeinsamen Antriebswelle 36 angetrieben, während die vier Hubkurven der Motorscheiben 8, 10, 12, 14 eine gemeinsame Abtriebswelle 38 antreiben.
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Die in der Figur gezeigte Kombination von erfindungsgemäßen Vorrichtungen bzw. von Scheiben 1, 2, 8, 10 12, 14 stellt ein hydraulisches Getriebe dar, bei dem (nicht gezeigte) Hochdruckanschlüsse der Scheiben 1, 2, 8, 10, 12, 14 über eine gemeinsame Hochdruckleitung 40 miteinander verbunden sind, während die entsprechenden Niederdruckanschlüsse der Scheiben 1, 2, 8, 10, 12, 14 Zugang zu einem alle Scheiben umschließenden als gemeinsame Niederdruckleitung 42 angedeuteten Tank haben und somit indirekt miteinander verbunden sind. Damit fördern die beiden Pumpenscheiben 24, 26 parallel zueinander Druckmittel zu den vier ebenfalls parallel geschalteten Motorscheiben 28, 30, 32, 34, während das entspannte Druckmittel von den vier Motorscheiben 28, 30, 32, 34 über die Niederdruckleitung 42 zurück zu den beiden Pumpenscheiben 1, 2 strömt. Alle Scheiben 1, 2, 8, 10, 12, 14 des Getriebes können in einem gemeinsamen (nicht gezeigten) Gehäuse angeordnet sein.
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Da die Scheiben 1, 2, 8, 10, 12, 14 als sogenannte digital variable radial piston machines (DVR) gemäß dem Stand der Technik ausgebildet sind, können ihre Förder- bzw. Schluckvolumina elektronisch eingestellt werden. Dazu haben die Zylinder-Kolben-Einheiten 24, 26 der beiden Pumpenscheiben 1, 2 jeweils ein elektronisch regelbares Niederdruckventil 44, 46 zur Steuerung einer Verbindung der verschiedenen Zylinder-Kolben-Einheiten 24, 26 zur Niederdruckleitung 42. Die sechs Niederdruckventile 44 der Pumpenscheibe 1 werden vom Steuergerät 4 gesteuert, während die sechs Niederdruckventile 46 der Pumpenscheibe 2 vom Steuergerät 6 gesteuert werden.
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Die Verbindung der Zylinder-Kolben-Einheiten 24, 26 zur Hochdruckleitung 40 erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel mit vorrichtungstechnisch minimiertem Aufwand über (nicht gezeigte) passive Hochdruckventile.
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Die jeweils sechs Zylinder-Kolben-Einheiten 28, 30, 32, 34 der vier Motorscheiben 8, 10, 12, 14 haben jeweils neben aktiv steuerbaren Niederdruckventilen 48, 50, 52, 54 auch aktiv steuerbare Hochdruckventile 56, 58, 60, 62. Jeder Motorscheibe 8, 10, 12, 14 ist ein Steuergerät 16, 18, 20, 22 zugeordnet. Um den vorrichtungstechnischen Aufwand des gezeigten Getriebes zu minimieren, hat jedes aktiv steuerbare Ventil 44 bis 62 nur eine Spule, die von dem jeweils zugeordneten Steuergerät 4, 6, 16, 18, 20, 22 gesteuert wird.
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Damit sind die Fördervolumina der beiden Pumpenscheiben 1, 2 und die Schluckvolumina bzw. die Abtriebsleistung an der Abriebswelle 38 der vier Motorscheiben 8, 10, 12, 14 in der eingangs beschriebenen Weise regelbar.
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In den beiden gezeigten Ausführungsbeispielen ist bei jeder Vorrichtung ein erstes Steuergerät 4 bzw. 16 als Master-Steuergerät konfiguriert worden, während ein zweites Steuergerät 6 bzw. drei weitere Steuergeräte 18, 20, 22 als Slave-Steuergeräte konfiguriert worden sind. Das Master-Steuergerät 4 bzw. 16 übernimmt in diesen Ausführungsbeispielen auch die Ansteuerung einer jeweiligen ersten Scheibe 1 bzw. 8. Die Masterfunktionalität zur Steuerung der Ventile ist grundsätzlich nur eine logische Funktion, die alternativ in einem anderen Steuergerät implementiert werden kann.
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Jede Vorrichtung hat einen Kabelbaum 64 bzw. 66, der das jeweilige Master-Steuergerät 4 bzw. 16 einerseits mit den zugeordneten Slave-Steuergeräten 6 bzw. 18, 20, 22 und andererseits mit einem der Vorrichtung übergeordneten Steuergerät 68 verbindet.
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Jedes Steuergerät 4, 6, bzw. 16, 18, 20, 22 bekommt über den Kabelbaum 64 bzw. 66 die benötigte Information, um die Ansteuerung der einzelnen Spulen der Ventile 44, 46, bzw. 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 zur gewährleisten. In den beiden gezeigten Ausführungsbeispielen bekommt jedes Steuergerät 4, 6 bzw. 16, 18, 20, 22 Informationen über die aktuelle Position der Welle 36 bzw. 38, damit es entscheiden kann, wann welche Spulen zu bestromen sind.
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In diesen beiden Ausführungsbeispielen kommuniziert das Master-Steuergerät 4 bzw. 16 mit den Slave-Steuergeräten 6 bzw. 18, 20, 22 über ein CAN Bus, wobei bei anderen Ausführungsbeispielen andere Bus-Systeme oder Kommunikationsleitungen möglich sind, z. B. Kommunikation über Time-Triggered Protocol (TTP) oder FlexRay.
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Das übergeordnete Steuergerät 68 übermittelt die gewünschten Betriebsparameter über ein Bus-System oder Kommunikationsleitungen an das Master-Steuergerät 4 bzw. 16. Dieses berechnet für den angeforderten Betriebsmodus wie viele bzw. welche Scheiben 1, 2 bzw. 8, 10, 12, 14 und welche Ventile in welchem Betriebsmodus (full, partial, idle) zu aktivieren sind und erteilt diese Befehle an die entsprechenden Slave-Steuergeräte 6 bzw. 18, 20, 22. Die Master Steuergeräte 4 und 16 sind ebenfalls so konfiguriert, das sie selbst auch Slave-Funktionalität darstellen können, das heißt, dass sie dem Slave in sich Befehle zur Aktivierung und Deaktivierung der Ventile erteilen. In Abhängigkeit von der ausgewählten Komplexität dieser Slaves können die Berechnungen und Befehle unterschiedlich sein. Es könnten lediglich Angaben für die Slaves über Bestromungszeiten und Bestromungspunkte für die jeweiligen Ventile oder komplexeren Angaben sein, wie z. B, eine Fördermenge, Drehmoment, usw.
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Abweichend von den beiden gezeigten Ausführungsbeispielen können weniger intelligente Steuergeräte eingesetzt sein, die keine eigenen Entscheidungen treffen und nur einzelnen Spulen zu vorgegebenen Zeitpunkten bzw. bei vorgegebenen Winkeln bestromen.
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Abweichend von den beiden gezeigten Ausführungsbeispielen kann ein weiteres separates Steuergerät für die Masterfunktionalität vorgesehen sein, das keine Ansteuerung von Scheiben ausübt.
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Statt dem übergeordneten Steuergerät 68 kann die übergeordnete Intelligenz auch eine Person sein.
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In der Figur sind nur zwei bzw. vier Scheiben (DVR's) dargestellt, aber die Anzahl an Scheiben mit entsprechenden Slave-Steuergeräten ist bei der vorliegenden Erfindung prinzipiell unbegrenzt.
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Offenbart ist eine Vorrichtung mit mehreren ventilgesteuerten Kolbenmaschinen, die jeweils eine Gruppe von Zylinder-Kolben-Einheiten haben. Dabei hat jede Zylinder-Kolben-Einheit ein über zumindest eine Spule aktiv steuerbares Niederdruckventil und kann weiterhin ein über zumindest eine Spule aktiv steuerbares Hochdruckventil haben. Damit ist jede Kolbenmaschine z. B. eine „digital variable radial piston machine” DVR. Erfindungsgemäß ist jeder Kolbenmaschine ein elektronisches Steuergerät zugeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/009950 A1 [0005, 0008]
