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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine hydraulische Kolbenmaschine mit veränderbarem Fördervolumen, die zumindest einen Kolben aufweist, der in einem Zylinder translatorisch bewegbar ist und einen Arbeitsraum begrenzt, wobei der Arbeitsraum über ein erstes Ventil mit einer Hochdruckleitung und ein zweites Ventil mit einer Niederdruckleitung verschaltet ist.
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Eine derartige hydraulische Kolbenmaschine ist aus der
DE 10 2007 041 021 A1 bekannt. Diese Kolbenmaschine weist eine Steuereinrichtung mit einem elektronischen Steuergerät auf, von dem die aktiv betätigbaren Ventile der Arbeitsräume in einem sogenannten Partialhubmodus, in dem nur ein Teil des Kolbenhubs genutzt wird, betreibbar sind. Im Sinne eines geringen Steuerungsaufwandes sind die aktiv betätigbaren Ventile höchstens in wenigen verschiedenen Modi, nämlich entweder nur im Partialhubmodus oder im Partialhubmodus und einem Leerhubmodus oder im Partialhubmodus und einem Volumenhubmodus betreibbar oder es sind alle drei Modi nur auf eine begrenzte Anzahl von Arbeitsräumen und nur der Leerhubmodus und der Vollhubmodus auf die übrigen Arbeitsräume anwendbar oder die Maschine hat nur aktiv betätigbare Saugventile, die in allen drei Modi betreibbar sind. Für die Steuerung der Ein- und Auslassventile ist zusammenfassend ein erheblicher Steuerungsaufwand und eine Vielzahl von Stellaktoren notwendig.
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Weiterhin bekannte Lösungen mit Trommelscheiben bzw. Schrägachsenverstellung benötigen zwar nur einen oder wenige Verstellaktoren, jedoch ist der Bauraumbedarf für diese Verstellmechanismen erheblich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Kolbenmaschine bereitzustellen, bei der die Einstellung des Fördervolumens präzise und einfach möglich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Arbeitsraum mit einem Regelkolben zusammenwirkt, dessen Verstellweg einstellbar ist. Durch den variablen Verstellweg wird ein einstellbares Ausweichvolumen geschaffen, durch das das Fördervolumen des Kolbens präzise und einfach einstellbar ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Verstellweg von einem Stellelement einstellbar. Dabei ist in bevorzugter Ausgestaltung das Stellelement nach einem elektromechanischen, hydraulischen, mechanischen oder einem anderen Wirkprinzip ausgeführt. Alle diese Wirkprinzipe sind geeignet und werden nach der jeweiligen Ausführung und/oder Anwendung der hydraulischen Kolbenmaschine ausgewählt. Das Stellelement kann direkt mit dem Regelkolben zusammenwirken oder aber über eine in weiterer Ausgestaltung vorgesehene Regelstange mit dem Regelkolben zusammenwirken. Der Einsatz der Regelstange bietet die Möglichkeit, das Stellelement getrennt von dem Regelkolbenzylinder an der hydraulischen Kolbenmaschine anzuordnen. Weiterhin kann die Regelstange als gerade Kolbenstange ausgebildet sein, die zentral zu der Mittelachse des Regelkolbens ausgerichtet ist. Dadurch wirken keine Kippmomente auf den Regelkolben und somit ist eine präzise Verstellung möglich. Die Regelstange kann auch über eine von einer an die Regelstange angreifenden Betätigungsstange von dem Stellelement betätigt werden, wobei die Betätigungsstange wippenartig gelagert ist. Durch diese Ausgestaltung kann das Stellelement an nahezu beliebiger Position und raumsparend angeordnet sein.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Regelkolben über eine Rückstellfeder gegenüber einem Gehäuse abgestützt. Dabei ist die Öffnungskraft des Auslassventils wiederum in weiterer Ausgestaltung größer als die Federrückstellkraft der Rückstellfeder. Durch diese Ausgestaltung wird in einer Leerlaufphase I, bei der sich der Vorderkolben aus einem unteren Umkehrpunkt aufwärts bewegt und einen Druckanstieg im Förderraum bewirkt, erreicht, dass der Regelkolben, wenn die Druckkraft auf den Regelkolben größer wird als die Kraft der Rückstellfeder, dieser sich ebenfalls translatorisch bewegt.
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Dabei erfolgt die Bewegung so lange, bis der Regelkolben an dem Stellelement oder der Regelstange zur Anlage kommt. Die Verstellbewegung des Regelkolbens wird durch die Rückstellfeder gedämpft. Um sicherzustellen, dass es zu keiner Absteuerung des Arbeitsmediums durch das Auslassventil kommt, ist die Öffnungskraft des Auslassventils größer als die Federrückstellkraft (gemeint ist hier Kraft normiert auf Druckfläche) des Regelkolbens. Die Leerlaufphase I endet mit der Anlage des Regelkolbens an der Regelstange bzw. an dem Stellelement. Bei einer weiteren. Bewegung des Förderkolbens wird dann das Arbeitsmedium durch das Rückschlagventil in die Hochdruckleitung gefördert (Förderphase).
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Regelkolben dem Förderkolben gegenüberliegend und den Arbeitsraum einschließend angeordnet. Dabei kann der Arbeitskolben und der Regelkolben zumindest angenähert den gleichen Durchmesser aufweisen, wodurch in der Leerlaufphase I unnötige zusätzliche (zu den Auslass- und Einlassströmungen) Querströmungen vermieden werden. Es können aber zur Erfüllung bestimmter Erfordernisse auch bewusst unterschiedliche Kolbendurchmesser verwirklicht werden.
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In weiterer Ausgestaltung ist der Regelkolben seitlich neben dem Förderkolben angeordnet. Durch eine solche Ausgestaltung ist eine besonders kompakte Konstruktion darstellbar.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das Einlassventil und/oder das Auslassventil aktiv zu steuern. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, die Kolbenmaschine im Vierquadrantenbetrieb zu betreiben.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die hydraulische Kolbenmaschine eine Pumpe. Dies ist die bevorzugte Anwendung, grundsätzlich kann die Kolbenmaschine aber auch als Motor betrieben werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer hydraulischen Kolbenmaschine,
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2 einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer hydraulischen Kolbenmaschine, und
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3 ein Diagramm mit Kolbenhub-, Arbeitsraumvolumen- und Volumenstromverlauf über dem Kurbelwellenwinkel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die in 1 in einem Querschnitt dargestellte hydraulische Kolbenmaschine ist eine Pumpe zur Förderung eines Mediums, insbesondere eines Fluides, beispielsweise eines Kraftstoffs. Die Kolbenmaschine weist eine auf einer feststehenden Welle 1 drehbar gelagerte Exzenterscheibe 2 auf, was durch den Drehpfeil auf der Exzenterscheibe 2 um die Welle 1 dargestellt ist. Auf der Exzenterscheibe 2 stützt sich ein Pleuel 3 ab, das in geeigneter Weise geführt ist und somit bei einer Drehbewegung der Exzenterscheibe 2 eine translatorische Bewegung ausführt. Das Pleuel 3 ist mit einem Arbeitskolben 4 verbunden, wobei der Arbeitskolben 4 in einem Arbeitszylinder 5, der Teil eines Gehäuses der Kolbenmaschine ist, in dem auch die Welle 1 gelagert ist, bewegbar ist. Der Arbeitskolben 4 begrenzt mit seinem Kolbenboden einen Arbeitsraum 6. Der Arbeitsraum 6 ist über ein als Auslassventil 7 ausgebildetes erstes Ventil mit einer Hochdruckleitung 8 und über ein als Einlassventil 9 ausgebildetes zweites Ventil mit einer Niederdruckleitung 10 verschaltet. Oberhalb des Auslassventils 7 bzw. des Einlassventils 9 ragt ein innerer Ringflansch 11 in den Arbeitsraum 6, wobei der Ringflansch 11 eine untere Anlage 12 für einen Regelkolben 13 bildet. Der Regelkolben 13 ist in einem Regelzylinder 14, der ebenfalls Teil des Gehäuses der Kolbenmaschine ist, translatorisch beweglich. Der Regelkolben 13 stützt sich über eine Rückstellfeder 15 an einer Bodenwand 16, die ebenfalls ein Teil des Gehäuses ist, ab. Der von dem Regelkolben 13, dem Regelzylinder 14 und der Bodenwand 16 eingeschlossene Raum 17 ist über einen Kanal 18 für einen Druckausgleich mit der Umgebung oder bevorzugt mit dem Niederdruckkreislauf des Systems verbunden. Die Bewegung des Regelkolbens 13 wird begrenzt durch eine Regelstange 19, die von einem Stellelement 20 – wie durch den Doppelpfeil dargestellt – auf und ab bewegt werden kann.
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In einer Leerlaufphase I bewegt sich der Förderkolben 4 aus der unteren Totpunktlage 21 aufwärts. Dies führt zu einem Druckanstieg im Arbeitsraum 6, wodurch auch die Kraft auf den Regelkolben 13 erhöht wird. Wird die Druckkraft auf den Regelkolben 13 größer als die gegenwirkende Kraft der Rückstellfeder 15, bewegt sich der Regelkolben 13 ebenfalls translatorisch nach oben. Um sicherzustellen, dass es zu keiner ungewollten Absteuerung des Arbeitsfluids durch das Auslassventil 7 kommt, ist die Öffnungskraft des Auslassventils 7 größer als die Federrückstellkraft der Rückstellfeder 15. Die Leerlaufphase I endet mit dem Anliegen des Regelkolbens 13 an der Regelstange 19.
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In der Förderphase kann der Regelkolben 13 wegen der Anlage an die Regelstange 19 nicht weiter translatorisch bewegt werden. Dies führt zu einem weiteren Druckanstieg im Arbeitsraum 6, was wiederum zum Öffnen des Auslassventils 7 und somit zum Fördern des Fluides in die Hochdruckleitung 8 führt (Förderphase).
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Wenn der Arbeitskolben 4 seine obere Totpunktlage 22 durchschritten hat, nimmt das Volumen im Arbeitsraum 6 wieder zu, was zu einem Druckabfall im Arbeitsraum 6 führt. Hierdurch folgt der Regelkolben 15 dem Arbeitskolben 4 translatorisch nach unten (Leerlaufphase II).
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Wenn der Regelkolben 13 seine untere Anlage an den Ringflansch 11 erreicht hat, findet ein weiteres Absinken des Arbeitsraumdruckes statt, was zu einem Öffnen des Einlassventils 9 führt. Durch das Einlassventil 9 fließt dann aus der Niederdruckleitung 10 Fluid in den Arbeitsraum 6, der somit wieder befüllt wird. Das Fördervolumen der Kolbenmaschine ergibt sich somit aus dem maximalen Fördervolumen des Arbeitskolbens 4 abzüglich des Regelvolumens des Regelkolbens 13 (Saugphase).
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Das in der 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich dadurch von dem gemäß 1, als dass hier der Regelkolben 13 seitlich neben dem Arbeitskolben 4 angeordnet ist. Dadurch ist der Arbeitsraum 6a in zwei Teilräume aufgeteilt, die über einen Querkanal 23 miteinander verbunden sind. Weiterhin sind bei diesem Ausführungsbeispiel das Auslassventil 7 und das Einlassventil 9 in eine Zylinderkopfwand 24 eingelassen.
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In dem Diagramm gemäß 3 ist in dem unteren Diagramm über den Kurbelwellenwinkel KW einer Kurbelwellenumdrehung von 360 Grad der Hubverlauf des Arbeitskolbens 4 sowie der Hubverlauf B des Regelkolbens 13 mm dargestellt.
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In dem mittleren Diagramm ist das sich ergebende Volumen C des Arbeitsraums 6, 6a (Arbeitsraumvolumen Vsv) dargestellt.
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Im oberen Diagramm ist der Volumenstrom D des Auslassventils 7 und der Volumenstrom E des Einlassventils 9 dargestellt. Weiterhin sind in allen Diagrammen die Leerlaufphase I (Abschnitt a), die Förderphase (Abschnitt b), die Leerlaufphase II (Abschnitt c) und die Saugphase (Abschnitt d) kenntlich gemacht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007041021 A1 [0002]
