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Die Erfindung betrifft eine ventilgesteuerte Hydromaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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In der
EP 0 361 927 B1 ist eine ventilgesteuerte Kolbenpumpe beschrieben, bei der jede Zylinder-Kolben-Einheit ein aktiv steuerbares Niederdruckventil und ein Hochdruckventil hat. Durch entsprechende Ansteuerung seines Niederdruckventils kann jeder Kolben während seines gesamten Verdrängerhubes entweder dadurch aktiviert werden, dass das Niederduckventil schließt, und der Kolben voll in die Hochdruckleitung fördert (Full-Modus), oder er wird dadurch deaktiviert, dass das Niederduckventil offen bleibt, und der Kolben voll in die Niederdruckleitung zurück fördert (Idle-Modus). Auf diese Weise soll eine quasi stetige Verstellmöglichkeit des Fördervolumens der ventilgesteuerten Kolbenpumpen erreicht werden. Bei gewissen Einsatzfällen ist die Pulsation in Fördermenge und Förderdruck derartiger Kolbenpumpen sehr stark.
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in der Druckschrift
EP 1 537 333 B1 wird zur Reduzierung der Pulsation ein zusätzlicher Partial-Modus vor, bei dem ein Kolben währen seines Verdrängerhubes nur einen Teil der verdrängten Fluidmenge in die Hochdruckleitung fördert. Dazu bleibt das dem Kolben zugeordnete Niederdruckventil während eines ersten Teilhubes offen, und wird dann für einen zweiten Teilhub geschlossen.
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Nachteilig an beiden vorbeschriebenen Kolbenpumpen ist, dass für maximales Fördervolumen bzw. beim Full-Modus im unteren Totpunkt am Beginn des Gesamthubs des Kolbens das zugeordnete Niederdruckventil geschlossen wird, und somit bereits im Bereich direkt nach dem unteren Totpunkt der Aufbau des Hochdrucks beginn. In diesem Bereich verrichtet die Maschine verschwindend geringe Nutzarbeit. Trotzdem müssen die Zylinder-Kolben-Einheiten und die Maschine für entsprechend hohe Kräfte ausgelegt sein.
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In der
DE 10 2007 041 021 A1 wird eine ventilgesteuerte Hydromaschine beschrieben, die nur im Partial-Modus und im Idle-Modus betreibbar ist. Nachteilig daran ist, dass das maximale Förder- bzw. Schluckvolumen dieser Maschine nicht ausgenutzt wird, bzw. dass ihr maximales Förder- bzw. Schluckvolumen im Verhältnis zur Bauteilgröße der Zylinder-Kolben-Einheit bzw. der Hydromaschine suboptimal ist.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine ventilgesteuerte Hydromaschine zu schaffen, deren Verhältnis aus Bauteilgröße zum maximalen Förder- bzw. Schluckvolumen verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine ventilgesteuerte Hydromaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße ventilgesteuerte Hydromaschine hat eine Mehrzahl von Zylinder-Kolben-Einheiten, die jeweils über ein aktiv schaltbares Niederdruckventil mit einer Niederdruckseite der Maschine und über ein Hochdruckventil mit einer Hochdruckseite der Maschine verbindbar sind. Dadurch ist jede Zylinder-Kolben-Einheit in einem Idle-Modus betreibbar, in dem sie während eines Gesamthubs ihres Kolbens durch ein geöffnetes Niederdruckventil deaktiviert ist. Weiterhin ist jede Zylinder-Kolben-Einheit in einem Partial-Modus betreibbar, in dem sie während eines ersten Teilhubs durch ein geöffnetes Niederdruckventil deaktiviert und während eines zweiten Teilhubs durch ein geschlossenes Niederdruckventil aktiviert ist, wobei die Summe der beiden Teilhübe den Gesamthub des Kolbens ergibt. Jede Zylinder-Kolben-Einheit ist schließlich auch in einem Optimal-Modus betreibbar, bei dem sie unmittelbar nach Durchlaufen eines den Gesamthub begrenzenden Totpunktes durch ein geöffnetes Niederdruckventil noch deaktiviert ist und dadurch entlastet bleibt, und dann nach dem Durchlaufen des Totpunktes während eines überwiegenden Teils des Gesamthubs durch ein geschlossenes Niederdruckventil aktiviert ist. Dieser Optimal-Modus stellt ein ganzheitliches Optimum einerseits des Förder- bzw. Schluckvolumens und andererseits der Bauteilgröße beziehungsweise Bauteilbelastung der erfindungsgemäßen ventilgesteuerten Hydromaschine dar.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Bei dem betrachteten Totpunkt handelt es sich im Falle einer Pumpe in Hubrichtung des Kolbens betrachtet um den unteren Totpunkt.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden maximal 89% des Gesamtvolumens jeder Zylinder-Kolben-Einheit gefördert. Diese Ansteuerung der Ventile der Maschine führt zu einem ganzheitlichen Optimum einerseits des Förder- bzw. Schluckvolumens und andererseits der Bauteilgröße bzw. Bauteilbelastung.
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Wenn auch die Hochdruckventile der Zylinder-Kolben-Einheiten aktiv schaltbar sind, ist die erfindungsgemäße Hydromaschine auch als Motor betreibbar. Dann handelt ist ich bei dem betrachteten Totpunkt in Hubrichtung des Kolbens betrachtet um den oberen Totpunkt.
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Bei bevorzugten Maschinentypen sind die Zylinder-Kolben-Einheiten im Wesentlichen radial zu einer Triebwelle angeordnet. Ein auf der Triebwelle befestigter oder einstückig mit der Triebwelle ausgebildeter Exzenter rotiert unter den Kolben.
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Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Niederdruckventil nach einem Umlaufwinkel der Zylinder-Kolben-Einheit von etwa 27° nach dem Durchlaufen des Totpunktes vollständig geschlossen.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist eine Schließbewegung des Niederdruckventils erst nach dem Durchlaufen des Totpunktes eingeleitet. Damit liegt der der gesamte Schließvorgang zeitlich nach bzw. auf der Kreisbahn hinter dem Durchlaufen des Totpunktes. Daraus folgt, dass das Niederdruckventil nicht gegen eine Strömungsrichtung geschlossen werden muss. Somit ist der Leistungsbedarf für die Schließbewegung reduziert, so dass die entsprechende Aktoren der Niederdruckventile kleiner und kostengünstiger als für einen Full-Modus ausgelegt werden können. Weiterhin sind dadurch die Schaltgeschwindigkeit und die Schaltgenauigkeit der Niederdruckventile erhöht.
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Je weiter die komplette Schließbewegung hinter dem Totpunkt liegt, desto toleranter ist die erfindungsgemäße ventilgesteuerte Hydromaschine gegen geringe Abweichungen und Ungenauigkeiten des Schaltpunktes bzw. des Zeitraums der Schließbewegung.
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Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Schließbewegung etwa 40° nach dem Durchlaufen des Totpunktes beendet.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die Hydromaschine eine Radialkolbenmaschine oder digital variabel radial piston unit (DVR), bei der die Zylinder-Kolben-Einheiten etwa radial zueinander angeordnet sind, und die eine exzentrische Welle haben kann.
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Bei einer anderen besonders bevorzugten Weiterbildung ist die Hydromaschine Axialkolbenmaschine z. B. in Schrägscheibenbauweise.
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Im Folgenden werden anhand der Figuren der Zeichnungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben.
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Es zeigen
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen ventilgesteuerten Hydropumpe in einer schematischen Darstellung,
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2 eine Tabelle mit verschiedenen Phasenanschnitten des Ausführungsbeispiels gemäß 1,
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3 ein Diagramm mit effektiver Reduzierung der Bauteilbelastung in Abhängigkeit des Phasenanschnitts,
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4a und 4b Diagramme mit einem Phasenanschnitt von 27° und
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5a und 5b Diagramme mit einem Phasenanschnitt von 40°.
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Bei den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist eine ventilgesteuerte Hydropumpe 1 als Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise zu Grunde gelegt, die auch als Axialkolbenmotor verwendet werden kann. 1 zeigt eine stark vereinfachte Abwicklung der Hydropumpe 1. Im Folgenden werden nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Bauelemente erläutert, hinsichtlich detaillierterer Ausführungen wird auf den eingangs genannten Stand der Technik verwiesen, in dem das Funktionsprinzip einer derartigen Hydropumpe 1 mit digital verstellbarem Fördervolumen ausführlich erläutert ist.
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Gemäß der schematischen Darstellung in 1 hat der Hydropumpe 1 eine Zylindertrommel 2, in dem eine Vielzahl von Zylinderbohrungen bzw. Zylindern 4 ausgebildet ist, in denen jeweils ein Kolben 6 axial verschiebbar geführt ist. Jeder der Kolben 6 begrenzt mit dem Zylinder 4 einen Arbeitsraum 8, dessen verdrängtes Volumen vom Gesamthub des Kolbens 6 abhängig ist. Die Kolben 6 sind über jeweils einen Kolbenschuh 10 an einer schräg gestellten Schrägscheibe abgestützt, die mit einer Antriebswelle 12 verbunden ist. In der Darstellung gemäß 1 ist die auf Grund der Rotation und der Schrägstellung der Schrägscheibe gebildete Steuerkurve 14 dargestellt, die die Drehwinkelabhängigkeit des Gesamthubs und damit des verdrängten Volumens des jeweiligen Arbeitsraums 8 wiedergibt. Jeder Arbeitsraum 8 ist über ein Hochdruckventil HPV mit einer allen Arbeitsräumen 8 gemeinsame Druckleitung 18 verbunden, in der ein Arbeitsdruck der Hydropumpe 1 herrscht.
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Jeder Arbeitsraum 8 ist des Weiteren über ein jeweiliges Niederdruckventil LPV und über eine ebenfalls allen Arbeitsräumen 8 gemeinsame Niederdruckleitung 24 mit einem Tank 26 verbunden.
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Die Niederdruckventile LPV und die Hochdruckventile HPV sind als elektrisch entsperrbare Rückschlagventile ausgeführt. Die Hochdruckventile HPV funktionieren bei nicht bestromten Betätigungsmagneten wie Rückschlagventile, die von den Arbeitsräumen 8 zur Druckleitung 18 hin öffnen. Sie sind über eine nicht dargestellte Feder in eine Schließposition vorgespannt. Durch Bestromen eines jeweiligen Betätigungsmagneten 28 lässt sich ein Hochdruckventil HPV in eine Öffnungsposition bringen und darin halten, in der Druckmittel aus der Druckleitung 18 in den entsprechenden Arbeitsraum 8 einströmen kann. Die Niederdruckventile LPV befinden sich bei nicht bestromten Betätigungsmagneten 30 in einer Öffnungsposition, in die sie durch eine nicht dargestellte Feder vorgespannt sind. Durch Bestromen eines jeweiligen Betätigungsmagneten 30 lässt sich ein Niederdruckventil LPV in eine Schließposition bringen und darin halten. Ist ein Niederdruckventil offen, wenn sich im Pumpenbetrieb ein Arbeitsraum verkleinert oder sich im Motorbetrieb ein Arbeitsraum vergrößert, so ist die entsprechende Zylinder-Kolben-Einheit 4, 6 deaktiviert. Das entsprechende Hochdruckventil ist dann geschlossen.
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Die Ansteuerung der Betätigungsmagneten 28, 30 erfolgt über eine Steuereinheit 34, über die die aus dem Stand der Technik bekannten Modi Idle-Modus und Partial-Modus einstellbar sind.
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Im Idle-Modus wird während des gesamten Verdrängerhubes des Kolbens 6 vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT das zugehörige Niederdruckventil LPV offen gehalten, sodass das gesamte Volumen der Zylinder-Kolben-Einheit 4, 6 zurück in die Niederdruckleitung 24 gefördert wird. Somit trägt die entsprechende Zylinder-Kolben-Einheit 4, 6 nicht zum Fördervolumen der Hydropumpe 1 bei.
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Im Partial-Modus wird während eines ersten Teilhubs des Kolbens 6 das entsprechende Niederdruckventil LPV offen und das entsprechende Hochdruckventil HPV geschlossen gehalten. Während eines zweiten Teilhubs des Kolbens 6 wird umgekehrt das Niederdruckventil LPV geschlossen und das Hochdruckventil HPV geöffnet, sodass das dem zweiten Teilhub entsprechende Fördervolumen in die Hochdruckleitung 18 gefördert wird und somit zum Fördervolumen der Hydropumpe 1 beiträgt.
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Als dritter erfindungsgemäßer Modus ist der Optimal-Modus vorgesehen, der bei der erfindungsgemäßen Hydropumpe 1 das maximale Fördervolumen der entsprechenden Zylinder-Kolben-Einheit 4, 6 definiert.
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2 zeigt eine Tabelle, die zur Ermittlung von verschieden Ausführungsbeispielen des Optimal-Modus dient. Dazu sind in einer ersten Spalte vier verschiedene Winkel eines Phasenanschnitts bzw. eines ersten Teilhubs eingetragen sind. Diese Winkel definieren den ineffektiven Teilhub, in dem das Niederdruckventil LPV offen gehalten wird. In einer zweiten Spalte ist die Reduzierung des Hubvolumens der entsprechenden Zylinder-Kolben-Einheit 4, 6 eingetragen. In einer dritten Spalte ist die Reduzierung der Bauteilbelastung eingetragen, die sich durch den erfindungsgemäßen Optimal-Modus bei unveränderter Bauteildimensionierung ergibt. In einer vierten Spalte ist die Vergrößerung des Hubvolumens der Zylinder-Kolben-Einheit 4, 6 eingetragen, die nötig ist, um die Reduzierung gemäß der zweiten Spalte zu kompensieren. In einer fünften Spalte ist eine effektive Reduzierung der Bauteilbelastung eingetragen, die sich unter Berücksichtigung der Vergrößerung des Hubvolumens gemäß der vierten Spalte ergibt.
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Die zweite Zeile der Tabelle (Phasenanschnitt = 0°) entspricht dem Full-Modus gemäß dem Stand der Technik, bei dem im Bereich des unteren Totpunktes UT das Niederdruckventil LPV geschlossen und das Hochdruckventil HPV geöffnet wird, wobei keine Reduzierung der Bauteilbelastung stattfindet. Die fünfte Zeile der 2 (Phasenanschnitt = 90°) entspricht einem Partial-Modus, bei dem der Gesamthub des Kolbens 6 in zwei gleich große Teilhübe aufgeteilt ist.
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3 zeigt die effektive Reduzierung der Bauteilbelastung gemäß der fünften Spalte aus 2 in Abhängigkeit vom Phasenanschnitt gemäß der ersten Spalte aus 2. Dabei ist ein Maximum der effektiven Reduzierung der Bauteilbelastung der Hydromaschine 1 im erfindungsgemäßen Optimal-Modus zu erkennen.
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4a und 4b zeigen einen Phasenanschnitt von 27° gemäß der dritten Zeile der 2 während 5a und 5b z einen Phasenanschnitt von 40° gemäß der vierten Zeile der 2 zeigen. Für jedes Ausführungsbeispiel des Optimal-Modus sind ein Umlaufdiagramm und ein zeitliches Ablaufdiagramm gezeigt. Die genannten Gradzahlen definieren die Stelle bzw. den Moment, bei dem der erste Teilhub beendet ist und der zweite Teilhub des betrachteten Kolbens 6 anfängt. Die Summe der beiden Teilhübe ergibt 180°.
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In 4a und 4b ist zu erkennen, dass wenige Grad bzw. kurze Zeit vor dem Durchlaufen des unteren Totpunktes UT des betrachteten Kolbens 6 das Niederdruckventil LPV mit der Schließbewegung beginnt, so dass das Niederdruckventil LPV 27° nach dem unteren Totpunkt UT vollständig geschlossen ist. Danach beginnt eine Kompression in der betrachteten Zylinder-Kolben-Einheit 4, 6 und schließlich eine Öffnung ihres Hochdruckventils HPV. Der darauffolgende Kreisbogen 38 des Umlaufdiagramms gemäß 4a bzw. der darauffolgende Verlauf 40 im zeitlichen Ablaufdiagramm gemäß 4b zeigt die Verdrängung das Druckmittels aus der betrachteten Zylinder-Kolben-Einheit 4, 6 in die Druckleitung 18 (vgl. 1). Einige Grad bzw. kurze Zeit vor dem oberen Totpunkt OT beginnt das Hochdruckventil HPV mit seiner Schließbewegung, so dass es bei Erreichen des oberen Totpunktes OT vollständig geschlossen ist. Daraufhin erfolgt eine Dekompression des Druckmittels in der betrachteten Zylinder-Kolben-Einheit 4, 6 und ein Öffnen des Niederdruckventils LPV. Der darauffolgende Kreisbogen 42 des Umlaufdiagramms bzw. der darauffolgende Verlauf 44 des zeitlichen Ablaufdiagramms gemäß 4b zeigt ein Ansaugen der betrachteten Zylinder-Kolben-Einheit 4, 6 aus der Niederdruckleitung 24 (vgl. 1).
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Das in den 4a und 4b gezeigte Ausführungsbeispiel des Optimal-Modus führt zu einer Ausnutzung des im Full-Modus möglichen Fordervolumens von 95%.
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In den 5a und 5b ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Optimal-Modus mit einem Phasenanschnitt von 40° gemäß der vierten Zeile 3 aus 2 gezeigt. Dabei ist nach einem Umlaufwinkel von 40° hinter dem unteren Totpunkt UT das Niederdruckventil LPV vollständig geschlossen wobei der Wechsel vom ersten Teilhub zum zweiten Teilhub stattfindet. Dies führt dazu, dass der Schließvorgang des Niederdruckventils LPV erst einige Grad (vgl. 5a) bzw. kurze Zeit (vgl. 5b) nach dem Durchlaufen des unteren Totpunktes UT eingeleitet werden muss. Dies führt zu einem definierten und schnellen Schließen des Niederdruckventils LPV, da die Schließbewegung mit Unterstützung der Druckmittelströmung stattfindet.
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Beide gezeigten Beispiele des Optimal-Modus führen gemäß 2 zu einer geringen Reduzierung des Hubvolumens und zu einer vorteilhaften Reduzierung der Bauteilbelastung, wobei auch die effektive Reduzierung der Bauteilbelastung nach einer kompensatorischen Vergrößerung des Hubvolumens im ersten Ausführungsbeispiel (4a und 4b) 10% und im zweiten Ausführungsbeispiel (5a und 5b) 11% beträgt.
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Durch die drei Modi Idle-Modus, Partial-Modus und Optimal-Modus der erfindungsgemäßen auch als Motor betreibbaren Hydropumpe 1 ist ihr Fördervolumen stufenlos verstellbar, wobei durch geeignete Ansteuerung der Ventile LPV, HPV durch die Steuereinheit 34 auch die Pulsation auf ein Minimum absenkbar ist.
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Wenn die gezeigte Hydropumpe 1 nicht – wie beschrieben – auch als Motor, sondern nur als Pumpe nutzbar sein soll, eignen sich als Hochdruckventile HPV auch passive Hochdruckventile. Diese würden bei erreichen eines gewissen Drucks bzw. einer gewissen Kompression (vgl. 4 und 5) selbsttätig öffnen. Dazu eignen sich Rückschlagventile, oder durch einen Feder vorgespannte Rückschlagventile.
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Offenbart ist eine ventilgesteuerte Hydromaschine – insbesondere digital variable radial piston unit (DVR), die eine Mehrzahl von Zylinder-Kolben-Einheiten hat, die jeweils über ein aktiv schaltbares Niederdruckventil mit einer Niederdruckseite der Maschine und über ein Hochdruckventil mit einer Hochdruckseite der Maschine verbindbar sind. Dadurch ist jede Zylinder-Kolben-Einheit in einem Idle-Modus betreibbar, in dem sie während eines Gesamthubs ihres Kolbens durch ein geöffnetes Niederdruckventil deaktiviert ist. Weiterhin ist jede Zylinder-Kolben-Einheit in einem Partial-Modus betreibbar, in dem sie während eines ersten Teilhubs durch ein geöffnetes Niederdruckventil deaktiviert und während eines zweiten Teilhubs durch ein geschlossenes Niederdruckventil aktiviert ist, wobei die Summe der beiden Teilhübe den Gesamthub des Kolbens ergibt. Jede Zylinder-Kolben-Einheit ist schließlich auch in einem Optimal-Modus betreibbar, bei dem sie unmittelbar nach Durchlaufen eines den Gesamthub begrenzenden Totpunktes durch ein geöffnetes Niederdruckventil noch deaktiviert ist und dadurch entlastet bleibt, und dann kurz nach dem Durchlaufen des Totpunktes während eines überwiegenden Teils des Gesamthubs durch ein geschlossenes Niederdruckventil aktiviert ist. Dieser Optimal-Modus stellt ein ganzheitliches Optimum einerseits des Förder- beziehungsweise Schluckvolumens und andererseits der Bauteilbelastung beziehungsweise Bauteilgröße der erfindungsgemäßen ventilgesteuerten Hydromaschine dar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0361927 B1 [0002]
- EP 1537333 B1 [0003]
- DE 102007041021 A1 [0005]
