DE102013101107A1 - Hydraulisches Mehrverbrauchersystem mit energieeffizienter hydraulischer Schaltung - Google Patents

Abstract

Hydraulisches Mehrverbrauchersystem mit energieeffizienter hydraulischer Schaltung, umfassend eine hydraulische Quelle (7) für einen Volumenstrom eines Hydraulikmediums sowie mindestens zwei Verbraucher (1, 2, 3) mit Steuerventil (4, 5, 6), die über je eine Speiseleitung (11) und je eine Rücklaufleitung (12) an die Quelle angeschlossen sind. Aufgabe der Erfindung ist es, ein hydraulisches Mehrverbrauchersystem ohne zusätzliche Sensoren und mit weiter reduzierten Energiebedarf und Verlustenergieerzeugung vorzuschlagen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mindestens ein hydraulischer Speicher (27) oder Puffer vorgesehen ist, der Speicher oder Puffer eine hydraulische Verbindung mit mindestens einer Rücklaufleitung aufweist sowie mindestens eine Rücklaufleitung Mittel zur Umleitung von Hydraulikmedium in den Speicher oder Puffer aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Mehrverbrauchersystem, insbesondere ein Konstant-Druck-System oder Load-Sensing-System mit energieeffizienter hydraulischer Schaltung zur Verminderung der Energieverluste gemäß dem ersten Patentanspruch.
• Auf dem Gebiet der hydraulischen Antriebstechnik für mobile und stationäre Maschinen sind Mehrverbrauchersysteme, bei denen mehrere Verbraucher (rotatorisch, translatorisch) mit einer geringeren Anzahl hydraulischer Quellen (Hydraulikpumpen, Speicher) versorgt werden, üblich (vgl. [1–4]). Üblicherweise sind mehrere Verbraucher stets an eine gemeinsame Quelle angeschlossen und werden durch diese versorgt. Die Belastung und damit der Bedarf an hydraulischer Leistung der einzelnen Verbraucher ist nicht nur von deren Maximalkraft, sondern auch von dem jeweiligen Einsatz abhängig. Sie variiert laufend. Die einzelnen Verbraucher, die an einer hydraulischen Quelle angeschlossen sind, unterscheiden sich in der Regel in ihrer jeweiligen Belastung von denen der anderen Verbraucher. Eine hydraulische Quelle muss jedoch stets einen maximal für den am stärksten belasteten Verbraucher erforderlichen Druck vorhalten, d. h. es wird stets ein Energieüberschuss erzeugt, der von den niederbelasteten Verbrauchern nicht benötigt wird. Es werden laufend Energieverluste erzeugt. Dies liegt darin begründet, dass die Quelle das hydraulische Medium (in der Regel Hydrauliköl) physikalisch nur mit einem Potential (Druck) fördern kann.
• Bei einer direkter hydraulischen Verbindung mehrerer Verbraucher an eine gemeinsame hydraulische Quelle würde das hydraulische Medium den Weg des geringsten Widerstands folgend zunächst nur die niedriger belasteten Verbraucher antreiben. Als Maßnahmen zur Vermeidung oder zum Kontrollieren unterschiedlicher parallel betriebener Verbraucher dieses Effekts sind an jedem Verbraucher regelbare hydraulische Widerstände (Steuerventile) vorgesehen, die den einheitlichen Druck der hydraulischen Quelle auf den jeweils am Verbraucher erforderlichen Druck drosselt. Bei einer Drosselung eines Drucks entstehen stets Energieverluste, und zwar an allen am Markt erhältlichen und nachfolgend genannten hydraulischen Schaltungen (z. B. Closed-Center, Open-Center, Load-Sensing mit vor- oder nachgeschalteten Druckwaagen, Summenstromregelung).
• Ein allgemeines Bestreben liegt darin, die vorgenannten systembedingten Energieverluste an Mehrverbrauchersystemen und damit die erforderliche Energieaufnahme zu reduzieren, um insbesondere auch schärfer werdenden Abgasnormen und steigenden Rohstoffpreisen für Kraftstoff entgegenzuwirken. Hierzu sind folgende Konzepte bekannt:
  Bei einem Konstant-Strom-System („Open-Center-Systeme”, [1]) fördert eine hydraulische Quelle einen konstanten Volumenstrom (Konstantpumpe) in einen Kreislauf, an den die Verbraucher angeschlossen sind. Ohne Betätigung eines Verbrauchers fließt dieser Volumenstrom im Kreislauf drucklos zurück in den Tank. Sobald ein Verbraucher aktiviert wird, wird der drucklose Kreislauf zum Tank hin teilweise oder ganz verschlossen, der Zulauf zum Verbraucher teilweise oder ganz geöffnet. Im Hydraulikkreis stellt sich nun ein Systemdruck oberhalb des höchstbelasteten Verbrauchers oder maximal der durch ein Druckbegrenzungsventil begrenzte Systemdruck ein. Ein Ventil zu den Verbrauchern wird geöffnet, so dass der maximale Druck auf den Druck des Verbrauchers reduziert wird. Das System arbeitet mit einem Volumenstrom- und einem Drucküberschuss.
• Bei Konstant-Druck-Systemen („Closed-Center-Systeme”, [1–4]) wird eine Quelle mit verstellbarem Volumenstrom (Verstellpumpen) so geregelt, dass stets ein konstanter Systemdruck sichergestellt wird. Der Druck wird dabei über einen Pumpenregler vorgegeben. Der Pumpenregler stellt unabhängig vom Volumenstrom einen Systemdruck unterhalb des Drucks des Druckbegrenzungsventils sicher. Bei Betätigung keines Verbrauchers fördert die Pumpe nur so viel Volumenstrom, um ggf. Leckageverluste auszugleichen und hält dabei den geforderten Druck aufrecht. Wird ein Verbraucher aktiviert, steigt der Volumenstrom der Pumpe, wobei der Druck der Pumpe über ein Ventil auf den Druck des Verbrauchers reduziert wird. Das System arbeitet mit einem Drucküberschuss, aber in vorteilhafter Weise nicht zusätzlich mit einem Volumenstromüberschuss.
• Von Konstant-Druck-Systemen abgeleitet sind Load-Sensing-Systeme (vgl. [1–4]), bei denen jedoch der Regeldruck der Pumpe (Soll-Vorgabe) nicht durch einen konstanten Pumpenregler mit fester Soll-Vorgabe vorgegeben ist, sondern durch eine weitere hydraulische Signalschaltung. Dabei wird der höchste Verbraucherdruck identifiziert, und an die Pumpe gemeldet, die entsprechend in ihrer Leistung regelbar ist. Somit werden die systembedingten Verluste reduziert. Das System arbeitet mit einem möglichst niedrigen veränderlichen und damit einem energieoptimierten Drucküberschuss und ohne Volumenstromüberschuss.
• Load-Sensing Systeme ermöglichen eine exakte Einstellung der Verstellpumpe und damit des Gesamtdrucks, die sich an die höchste Last der sich im Hydrauliksystem befindenden Verbraucher orientiert.
• Summenstrom-Regel-Systeme („Flow-Matching” vgl. [2], [4]) nutzen wie die vorgenannten Load-Sensing-Systemen eine Sensorik, wobei der Volumenstrombedarf eines Verbrauchers direkt durch Messung des Maschinenbediener-Wunsches mit einem Sensor gemessen wird. Somit kann der Druck der Arbeitspumpe weiter abgesenkt werden. Die systembedingten Energieverluste an den Ventilen vor den Verbrauchern werden dadurch jedoch nicht reduziert.
• Basierend auf den vorgenannten Konzepten gibt es folgende Ansätze, die systembedingten Verluste durch Drosselung (Druckreduktion) an niederbelasteten Verbrauchern zu reduzieren:
  Ein erster Ansatz besteht darin, die Verbraucher in mehrere Verbrauchergruppen mit ähnlichem Belastungsprofil zu unterteilen (Mehr-Kreis-Systeme). Idealerweise wird jeder Verbraucher nur mit einer auf ihn angepasste Quelle betrieben (Verdrängersteuerung). Jede Gruppe wird durch eine und jeweils eine eigene, in ihrer Leistung an das jeweilige Belastungsprofil angepasste hydraulische Quelle gespeist. Der Unterschied des Energiebedarfs von Verbrauchern pro Quelle und damit der erzeugte Energieüberschuss werden damit signifikant reduziert, der apparative Aufwand durch zusätzliche Gruppen und damit Quellen nachteilig erhöht.
• Ferner besteht weiterer ein Ansatz in einer Reihenschaltung von Verbrauchern, bei dem ein zweiter Verbraucher hinter einen ersten Verbraucher geschaltet werden kann, um diesen mit Hydraulikmedium (vorzugsweise Hydrauliköl) zu versorgen. Das Hydraulikmedium wird seriell durch mehrere Verbraucher geleitet und stufenweise entspannt (Verbundprinzip).
• Alle vorgenannten Konzepte und Ansätze sorgen zwar für einen Lastdruckangleich gegenüber der hydraulischen Quelle, jedoch erfolgt dies durch Ventile, die Energieüberschüsse in Wärme umsetzen und nicht mehr nutzbare Verlustenergie in das Hydraulikmedium eintragen.
• Davon ausgehend liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein hydraulisches Mehrverbrauchersystem ohne zusätzliche Sensoren und mit weiter reduzierten Energiebedarf und Verlustenergieerzeugung vorzuschlagen, das sich durch einen einfachen apparativen Aufwand auszeichnet und die vorgenannten Nachteile nicht aufweist.
• Die Aufgabe wird durch kennzeichnende Merkmale des Anspruch 1 gelöst. Auf diesen rückbezogene Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.
• Die Lösung der Aufgabe sieht eine energieeffiziente hydraulische Schaltung in Ergänzung eines eingangs beschriebenen Mehrverbrauchersystem, vorzugsweise eines Konstant-Druck-Systems, weiter bevorzugt eines Load-Sensing-Systems vor, bei dem die Speisedrücke möglichst aller an eine Quelle angeschlossenen Verbraucher möglichst nahe dem maximal erforderlichen Verbraucherspeisedruck des jeweils höchstbelasteten Verbrauchers angehoben werden. Dazu werden vorzugsweise auch Verbraucherspeisedrücke und der Druck, der durch die hydraulische Quelle vorgegeben wird (Systemdruck), aufeinander angepasst. Eine Anhebung eines Verbraucherspeisedrucks erfolgt anstelle einer Drosselung von nicht genutzter Drücke im Hydraulikmedium dadurch, dass dem Verbraucher ein Speicher oder Puffer in Reihe geschaltet wird, der eine weitere Druckreduzierung in nutzbare Leistung gewandelt wird. Ein System umfasst mindestens zwei, vorzugsweise drei oder vier Verbraucher.
• Der Systemdruck ist stets größer als der maximale der jeweils erforderlichen Verbraucherdrücke und übersteigt den Verbraucherspeisedruck jedes Verbrauchers. Ein Verbraucherdruck ist der Druck, der an einen Verbraucher anliegen muss, um diesen für die Bereitstellung der jeweilig vorgesehen Verbraucherleistung zu ertüchtigen. Die Verbraucherdrücke ändern sich mit der Ansteuerung des Verbrauchers laufend im Betrieb.
• Vorzugsweise bildet dieser maximale Verbraucherdruck des Systems den maximalen Verbraucherspeisedruck, da dieser Druck im Gegensatz zu den Verbraucherspeisedrücken der anderen Verbraucher vorzugsweise nicht angehoben wird. Die Eigenschaft des höchstbelasteten Verbrauchers kann dabei unter den Verbrauchern des Systems wechseln. Der Systemdruck wird bei einem Konstant-Druck-System im Gegensatz zu einem Load-Sensing-System nicht bedarfsgerecht nach dem maximal erforderlichen Verbraucherspeisedruck nachgeregelt.
• Während des Durchlaufs des Hydraulikmediums durch den Verbraucher, in der Regel ein hydraulischer Kolben oder eine andere hydraulische Arbeitsmaschine erfolgt ein Druckabbau, in Summe in Höhe des Verbraucherdrucks. Der Druckunterschied zwischen Systemdruck und Verbraucherdruck ist der Verlustdruck. Mit dem Verlustdruck geht eine Verlustleistung einher. Der Verlustdruck entsteht überwiegend an den Steuerventilen, die das Hydraulikmedium vor und nach dem Durchlauf durch den Verbraucher durchläuft sowie an weiteren hydraulischen Komponenten und Widerständen wie z. B. an vorzugsweise vorgeschalteten Druckwaagen. Bei einem Load-Sensing-System mit bedarfsgeregeltem Systemdruck überbrücken die durch Drosselung erzeugten Verlustdrücke im Vergleich zum herkömmlichen Konstant-Druck-System nur wesentlich geringere Druckunterschiede.
• Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass ein vorhandener Leistungsüberschuss (Systemleistung abzüglich der Verbraucherleistung) nach Verlassen des Verbrauchers nicht durch ein vor- oder nachgeschaltetes Ventil durch Druckentspannung gedrosselt wird, d. h. als Verlustenergie auf das Hydraulikmedium übertragen wird, sondern durch eine hydraulische Schaltung in einen hydraulischen Speicher umgeleitet wird. Der hydraulische Speicher ist zu den nieder belasteten Verbrauchern in Reihe geschaltet. Der Speicher dient als Puffer; die gespeicherte Energie lässt sich zu einem späteren Zeitpunkt wieder abrufen. Der Druck im Speicher ist der Speicherdruck.
• Das hydraulische Mehrverbrauchersystem umfasst folglich eine hydraulische Quelle für einen Volumenstrom eines Hydraulikmediums und mindestens zwei Verbraucher mit Steuerventil, die über je eine Speiseleitung und je eine Rücklaufleitung an die Quelle angeschlossen sind. Weiterhin umfasst das System mindestens eine energieeffiziente hydraulische Schaltung mit mindestens einen hydraulischen Druckspeicher. Jener ist hydraulisch mit mindestens einer Rücklaufleitung zwischen Verbraucher und Quelle angeschlossen, wobei die Abzweigung in den Speicher über eine Ventilsteuerung vorzugsweise mit mindestens einem Umlenkventil oder mindestens einem Absperrventil erfolgt. Ein möglicher Rückfluss aus dem Speicher zurück in die Rücklaufleitung wird vorzugsweise über Rückschlagventile vermieden.
• Durch den Speicherdruck wird das Niveau des Verbraucherdrucks angehoben, ohne jenen im Betrag zu verändern. Der Verbraucherspeisedruck einer solchen Reihenschaltung summiert sich aus dem Verbraucherdruck und dem Speicherdruck; er steigt mit dem Speicherdruck. Um die Drosselung des Systemdrucks auf die Verbraucherspeisedrücke und damit die Verlustleistung zu reduzieren, werden die Verbraucherspeisedrücke um die Speicherdrücke erhöht und die nach dem Verbraucher anliegende Restdrücke in den Speicher geleitet anstelle diese durch Drosselung zu entspannen. Verlustleistung wird im Speicher gespeichert und steht somit einer weiteren Verwertung zur Verfügung. Idealerweise liegen die Verbraucherspeisedrücke aller Verbraucher nach einer Anhebung der niedrigeren Verbraucherspeisedrücke durch den Speicherdruck auf einem Niveau, sodass die erforderlichen Druckverluste und damit Verlustleistungen durch die Steuerventile möglichst gering gehalten werden.
• Die Summe aus Verbraucherdruck und dem Speicherdruck übersteigen aber nicht den Verbraucherspeisedruck des höchstbelasteten Verbrauchers (maximaler Verbraucherspeisedruck), der nicht in Reihe mit dem Speicher geschaltet wurde und an dem sich der Systemdruck eines Load-Sensing-Systems eingestellt.
• Das hydraulische Mehrverbrauchersystem mit energieeffizienter hydraulischer Schaltung umfasst folglich eine hydraulische Quelle sowie mindestens zwei Verbraucher mit Steuerventil, die über je eine Speiseleitung und je eine Rücklaufleitung an die Quelle verbunden sind. Die Quelle umfasst hierzu vorzugsweise eine Hydraulikpumpe mit Tank oder eine andere hydraulische Druckquelle zur Erzeugung eines bevorzugt konstanten Hydraulikmedium-Volumenstroms (Systemvolumenstrom Q_Syst) bei konstanten oder veränderlichen Systemdruck p_Syst. Die Steuerventile sind vorzugsweise als steuerbare Drosseln vor und hinter den Verbrauchern in den Speiseleitungen und Rücklaufleitungen angeordnet und dienen insbesondere eine Reduzierung des Systemdrucks auf den jeweils für eine Verbraucherleistung erforderlichen Verbraucherdruck. Vorzugsweise weist ein Verbraucher ein eigenes Steuerventil auf.
• Die energieeffiziente hydraulische Schaltung umfasst in der konkreten Ausführung mindestens einen hydraulischen Speicher (oder Puffer) für die Zwischenspeicherung von unter Druck stehendem Hydraulikmedium. Der Speicher weist hierzu eine hydraulische Verbindung, vorzugsweise eine durchgehende hydraulische Leitungsverbindung zu mindestens einer Rücklaufleitung, vorzugsweise jeder Rücklaufleitung eines jeden Verbrauchers auf. Ferner sind für die Speisung der Speicher in mindestens einer Rücklaufleitung Mittel zur Umleitung von Hydraulikmedium in den Speicher vorgesehen. Der Speicher ist ein hydraulischer Druckspeicher, der als eine weitere hydraulische Quelle für mindestens einen weiteren Verbraucher dient. Die Mittel zur Umleitung umfassen vorzugsweise mindestens ein Ventil.
• Eine Ausführung sieht eine energieeffiziente hydraulische Schaltung vor, die die jeweils an den Verbrauchern anliegenden Verlustdrücke erfasst und einen Speicher oder Puffer zwischen den Rücklaufleitungen der Verbraucher so hin- und herschaltet, dass die die Verbraucher verlassenden Volumenströme mit den jeweils höchsten anliegenden Verlustdrücken in den Speicher geleitet werden. Vorzugsweise sind Mittel vorgesehen, die die Verbraucherdrücke aller Verbraucher im System vergleicht und den Verbraucher mit dem jeweils höchsten Verbraucherdruck (nicht Verbraucherspeisedruck) aus der Reihenschaltung herausnimmt. Der Speicher wird solange geladen, bis die Summe aus Speicherdruck und Verbraucherdruck der Reihenschaltungen abzüglich Verluste den Systemdruck erreicht.
• Es ist ein Angleich der maximalen Verbraucherspeisedrücke auf den Verbraucherdruck des maximal belasteten Verbrauchers erforderlich, um einen parallelen Betrieb aller Verbraucher zu ermöglichen. Somit müssen die Drücke der niedriger belasteten Verbraucher auf den höchsten Verbraucherdruck angehoben werden. Wesentlich ist, dass ein Angleich der unterschiedlichen Verbraucherdrücke nicht allein durch vorgeschaltete Drosselventile, sondern über eine Anhebung des Druckniveaus durch den in Reihe nachgeschalteten gemeinsamen Speicher realisiert wird. Damit erfolgt eine Addition des Speicherdrucks und der Verbraucherdrücke der geringer belasteten Verbraucher auf das Niveau des jeweils höchsten anliegenden Verbraucherdrucks (des höchstbelasteten Verbrauchers). Somit steigt der Verbraucherdruck eines Verbrauchers um einen sich aus dem Speicherdruck ergebenden Betrag.
• Die hydraulische Schaltung umfasst hierzu Mittel zur Umleitung von Hydraulikmedium in der Rücklaufleitung vom Verbraucher zur Quelle, die ein den Verbraucher verlassendes noch vorgespanntes Hydraulikmedium nicht nutzlos entspannt, sondern in den hydraulischen Speicher und/oder zu einem weiteren Verbraucher umlenkt. Optional sind in der Rücklaufleitung keine Drosselventile zur vollständigen Entspannung vorgesehen.
• Der hydraulische Speicher umfasst vorzugsweise ein abgeschlossenes starres Volumen mit einem Anschluss für das Hydraulikmedium, das in diesen eingeleitet wird und in diesen gegen ein Gaspolster drückt und dieses komprimiert. Der Speicher wird solange durch eine Einleitung von Hydraulikmedium gefüllt, bis sich im Speicher mit dem Speicherdruck ein Gleichgewichtszustand einstellt.
• Das im Speicher (oder Puffer) unter Speicherdruck vorgespannte Hydraulikmedium bildet abrufbare und damit in vorteilhafter Weise nutzbare Energie. Der Speicher dient für die weitere Nutzung als hydraulische Quelle. Eine Voraussetzung hierfür ist, dass der Speicherdruck den für die weitere Nutzung erforderlichen Verbraucherdruck übersteigt. Vorzugsweise erfolgt eine Energierückspeisung in das System. Hierzu werden die folgenden bevorzugten Energienutzungen vorgeschlagen:
• 1. Direkte Einspeisung in einen Verbraucher vorzugsweise des gleichen Verbrauchersystems mit reduziertem Leistungsbedarf. Hierdurch erfolgt vorzugsweise eine Reihenschaltung zweier Verbraucher, wobei durch den hydraulischen Speicher ein Zeitversatz zwischen den Betrieb der Verbraucher realisierbar wird. Grundsätzlich umfasst dies auch eine wiederholte Speisung eines Verbrauchers,
• 2. Einspeisung in einen hydraulischen Motor zur Entlastung des Antriebs der hydraulischen Quelle,
• 3. Einspeisung in sonstige Aktoren oder hydraulischer Komponenten wie z. B. Steuerelemente, Widerstände oder Ventile des Verbrauchersystems und/oder
• 4. als hydraulische Quelle eines weiteren Verbrauchersystems mit einem geringerem Betriebsdruck.
• Die Aufgabe wird folglich durch eine robuste hydraulische Schaltung gelöst, die einen den Verbraucher verlassenden Energiebetrag für eine spätere Nutzung zwischenspeichert, wobei die Schaltung hydraulisch autark arbeitet und in vorteilhafter Weise ohne zusätzliche Steuerungstechnik oder sowie Sensoren auskommt.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Figuren näher erläutert. Es zeigen
• 1 eine schematische Darstellung eines konventionelles Mehrverbrauchersystems,
• 2a bis c je eine graphische Darstellung (Druck P über Volumenstrom Q) der Verlustleistungen eines Konstant-Druck-Systems (a), eines Load-Sensing-Systems (b) und eines Load-Sensing System mit energieeffizienter hydraulischer Schaltung (c),
• 3 einen hydraulischen Schaltungsbaustein zur Lastdrucksteigerung im Rücklauf mittels 3/2-Wegeventil,
• 4 einen hydraulischen Schaltungsbaustein zur Lastdrucksteigerung im Rücklauf mittels 2/2-Wegeventil,
• 5 beispielhaft eine schematische Darstellung eines Mehrverbrauchersystems mit Speicher sowie
• 6 beispielhaft eine schematische Darstellung eines Mehrverbrauchersystems mit Speicher und 3/2-Wegeventil an jedem Verbraucher.
• 1 gibt ein konventionelles Load-Sensor-System als Mehrverbrauchersystem gemäß des eingangs genannten Stands der Technik wieder. Es umfasst im Beispiel drei hydraulische Kolbenantriebe als Verbraucher 1, 2 und 3 mit je einem Steuerventil 4, 5 und 6, eine hydraulische Quelle 7 für einen Volumenstrom eines Hydraulikmediums mit Tank 8, Pumpe 9 und Pumpenantrieb 10 sowie je eine Speiseleitung 11 von der Quelle zu den Verbrauchern und je eine Rücklaufleitung 12 vom Verbraucher in den Tank.
• Der Regeldruck der Pumpe (Soll-Vorgabe) ist nicht durch einen konstanten Pumpenregler mit fester Soll-Vorgabe vorgegeben ist, sondern wird durch eine weitere hydraulische Signalschaltung 13 mit Überdruckventil 14 und Rücklauf 15 in den Tank geregelt.
• Ferner weist das dargestellte Load-Sensor-System Rückschlagventile 20 zwischen den Einlässen der Verbraucher 1 bis 3 auf, die den jeweils von den Verbrauchern abgerufenen maximalen Verbraucherdruck hydraulisch über eine Überdruckventilleitung 33 an das Überdruckventil 14 weiterleitet und damit den von der Quelle bereitgestellten Systemdruck über einen Aktor 21 zur Ansteuerung der Pumpe weiterleitet. Der Verbraucherdruck wird vorzugsweise vor den jeweiligen Verbrauchern vorgeschalteten Individualdruckwaagen 22, 23 und 24 und/oder an den Steuerventilen 4, 5 und 6 abgegriffen. Die hierfür erforderlichen Verbindungsleitungen sind in 1 gestrichelt dargestellt.
• Bei einem Konstant-Druck-System entfällt die vorgenannte bedarfsgerechte Nachregelung des Systemdrucks, d. h. die in 1 (wie auch in 5 und 6) gestrichelt dargestellten Leitungen sowie die Rückschlagventile entfallen bei sonst unveränderter Schaltung.
• 2a bis c verdeutlichen graphisch der integralen Leistungen in einem Konstant-Druck-System (a), einem Load-Sensing-System (b) und eines Load-Sensing System mit energieeffizienter hydraulischer Schaltung (c) in einer Darstellung des Drucks p über den Volumenstrom Q. Die Leistung berechnet sich aus dem Produkt aus dem Druck und dem Volumenstrom. Der maximal mögliche Volumenstrom und Druck der Quelle wird in den Diagrammen mit Q_max bzw. p_max angegeben (Eckdaten der hydraulischen Quelle). Ferner sind in den Diagrammen drei Verbraucherleistungen 16, 17 und 18 dargestellt, deren erforderliche Drücke sich im Betrieb laufend ändern und dabei von der Pumpenleistung abgedeckt werden müssen. Entsprechend der erforderlichen Verbraucherleistungen werden der Systemvolumenstrom Q_syst vorgegeben und der Systemdruck p_syst der hydraulischen Quelle im Beispiel eines Konstant-Druck-Systems (2a) fest oder eines Load-Sensing-Systems (2b und c) geregelt veränderlich eingestellt. Die Verlustleistung 19 berechnet sich aus der Systemleistung (Produkt aus Systemvolumenstrom und Systemdruck) abzüglich der jeweils anliegenden Verbraucherleistungen. Auch wenn die Verlustleistung – wie in 2b dargestellt – durch ein von der von den Verbrauchern abgerufenen maximalen Druck abhängenden Nachregelung des Systemdrucks minimierbar ist, entsteht eine Verlustleistung durch die weniger belasteten Verbraucher, die in herkömmlichen Systemen meist als Wärmeeintrag in das Hydraulikmedium abgegeben wird.
• Im Rahmen der Erfindung wird die Versorgung der Verbraucher durch die Pumpe wie im vorgenannten Konstant-Druck-System oder Load-Sensing-Systems realisiert. Die Rücklaufleitung weist jedoch Mittel auf, die anstelle einer Rückführung in den Tank eine Umleitung des Hydraulikmediums nach Verlassen der Verbraucher in einen Speicher zulässt, wenn der Druck im Speicher kleiner ist als der Druck des zurückgeführten Hydraulikmediums. Der Speicherdruck übernimmt damit die Funktion eines Gegendrucks am Auslass des Verbrauchers, womit der Lastdruck am Eingang der Verbraucher um einen sich aus dem Speicherdruck ergebenden Betrag anheben lässt, die aufgrund ihrer Lastdrücke zu ansonsten einer erhöhten Verlustleistung führen. Der durch die Verbraucher anliegende Druckunterschied bleibt durch die Maßnahme gleich. Ein großer Teil der Verlustleistung wird dagegen in vorteilhafter Weise in gespeicherte Leistung 25 umgewandelt (vgl. 2c).
• 3 zeigt die dafür erforderliche Schaltungsergänzung. Der Rücklauf des Hydraulikmediums aus dem Load-Sensing-System wird im Bereich der Rücklaufleitung 12 nach Verlassen des Steuerventils (4, 5 oder 6) in ein 3/2-Wegeventil 26 (Umlenkventil) geleitet, in dem das Hydraulikmedium entweder den Speicher 27 oder mit dem Tank 8 gelenkt wird. Das Hydraulikmedium muss nach Verlassen eines Verbrauchers in jeden Fall den Weg durch das Umlenkventil nehmen. Vorzugsweise ist für jeden Verbraucher ein Umlenkventil vorgesehen, das vorzugsweise mit einem gemeinsamen Speicher verbunden ist. Wenn der Druck des Hydraulikmediums im Bereich vor dem 3/2-Wegeventils höher als der Innendruck des Speichers P_Speicher ist, wird vorzugsweise der Speicher in Reihe mit dem Verbraucher geschaltet. Zur Vermeidung einer Speicherentladung durch einen Reflux des Speichermedium zurück in das Umlenkventil wird ein Rückschlagventil 28 als Sicherheitsventil vorgesehen.
• Alternativ wird eine Schaltung gem. 4 vorgeschlagen, bei dem als Mittel zur Umleitung von Hydraulikmedium in den Speicher durch ein 2/2-Wegeventil 29 (Absperrventil) realisiert wird und der Speicher vorzugsweise stets hydraulisch mit der Rücklaufleitung 12 verbunden ist. Die Abzweigung von der Rücklaufleitung erfolgt vor der Anordnung des 2/2-Wegeventils. Das Hydraulikmedium muss nach Verlassen eines Verbrauchers nur bei einer Weiterleitung in den Tank 8 das Absperrventil passieren. Das Absperrventil wird vorzugsweise dann geschlossen, wenn der im Hydraulikmedium in der Rücklaufleitung 12 anliegende Druck größer dem Speicherdruck ist. Es wird vorzugsweise erst dann geöffnet, wenn die vorgenannte Schaltbedingung nicht mehr erfüllt wird, d. h. der Speicher nicht weiter füllbar ist. Dabei verhindert das 2/2-Wegeventil einen ungehinderten Ablauf von vorgespanntem Hydraulikmediums in den Tank 8. Zur Vermeidung einer Speicherentladung durch einen Reflux des Speichermedium zurück in die Rücklaufleitung 12 wird ein Rückschlagventil 28 als Sicherheitsventil vorgesehen.
• Nur wenn die maximale Verbraucherleistung stets nur von einem Verbraucher abgerufen wird und die Verbraucherleistungen der anderen Verbraucher des Mehrverbrauchersystems übersteigt, ist eine Speisung des Speichers dieses Verbrauchers mit maximaler Verbraucherleistung insbesondere bei einen den Systemdruck nachregelndes Load-Sensing Systems nicht zu erwarten; Mittel zur Umleitung von Hydraulikmedium in den Speicher sind für diesen Verbraucher optional nicht vorgesehen.
• In den Schaltungsausführungen gem. 3 und 4 werden das Umlenkventil 26 bzw. Schaltventil 29 vorzugsweise hydraulisch angesteuert, wobei der am Verbraucher abgebaute Druck p_i (= Verbraucherdruck) zuzüglich dem Speicherdruck p_speicher dem Systemdruck P_Syst (= Load-Sensing-Druck P_LS gem. 3 und 4) entgegenstehen. Alle genannten Drücke werden dem Mittel zur Umleitung von Hydraulikmedium in den Speicher oder Puffer vorzugsweise hydraulisch zugeführt. Grundsätzlich gilt als notwendige Schaltbedingung für eine Umlenkung von Hydraulikmedium in den Speicher, dass die Summe aus dem am Verbraucher abgebaute Druck p_i und dem Speicherdrucks p_Speicher kleiner dem Systemdruck p_Syst (alternativ – wie in 6 dargestellt – des von den Verbrauchern abgerufenen maximalen Verbraucherdrucks ist: p_i + p_Speicher < p_Syst (1)
• Werden im hydraulischen Antriebssystem Differentialzylinder betrieben, wirken zwei Kolbenflächen gegeneinander. Diese Kolbenflächen können sich unterscheiden, beispielsweise aufgrund einer nur einseitig angeordneten Kolbenstange. Dabei verringert sich eine der Kolbenfläche um den Kolbenquerschnitt, womit der Speicherdruck aufgrund eines Kolbenflächenverhältnisses ungleich 1 effektiv zur Pumpe wirkend je nach Bewegungsrichtung des Kolbens erhöht oder erniedrigt wird. Dies ist in der Einstellung insbesondere der Mittel zur Umlenkung, insbesondere der Umlenkventile gemäß vorgenannter Formel (1) über berücksichtigbar. Folgt die Umlenkung in den Speicher nur in eine Bewegungsrichtung des Kolbens, wird eine Festeinstellung der Umlenkmittel mit Berücksichtigung vorgeschlagen. Werden bei einer Speicheraufladung beide Bewegungsrichtungen des Kolbens genutzt, wird je nach Bewegungsrichtung eine Anpassung über einen zuschaltbaren Gegendruck z. B. über eine zusätzliche Ventilschaltung auf der gegenüberliegenden Ventilschieberseite vorgeschlagen.
• Die Mittel zur Umleitung von Hydraulikmedium in den Speicher wie die dargestellten Absperrventile und Umlenkventile werden in vorteilhafter Weise nur hydraulisch angesteuert und geregelt. Zusätzliche Sensoren oder eine elektronische Ansteuerung dieser Mittel sind grundsätzlich nicht erforderlich und vorzugsweise nicht vorhanden.
• 5 zeigt schematisch ein Load-Sensing-System mit vorgeschalteten Individualdruckwagen herkömmlicher Bauart (vgl. 1), ergänzt durch einen Speicher 27, der wie in vorgenannter Weise über die Rücklaufleitung 12 speisbar ist. Die Mittel zur Umleitung von Hydraulikmedium in den Speicher oder Puffer, wie z. B. Schaltungen mit hierfür einsetzbaren 3/2- oder 2/2-Wegeventile (vgl. 3 und 4), sind in der schematischen 5 nicht explizit dargestellt, aber vorgesehen. Über eine Abflussleitung 30 wird das im Speicher gespeicherte Hydraulikmedium in die zu einem optionalen Rücklaufventil 31 geleitet und je nach Bedarf und/oder oberhalb eines bestimmten Drucks zu einem Verbraucher, im Beispiel der Pumpenantrieb 10 geleitet. Ein Rückschlagventil 32 verhindert bei Überschreitung einer bevorzugt einstellbaren Druckdifferenz eine direkte Weiterleitung in den Tank 8. Abweichend zu der in 1 dargestellten Ausführung werden bei der in 5 dargestellten Verschaltung der Rückschlagventilen 20 und der Überdruckventilleitung 33 (Load-Sensing-Leitung, Last-Melde-Leitung) aufgrund der schaltbaren Reihenschaltung von Speicher und Verbraucher die durch den Speicherdruck angehobenen Verbraucherdrücke berücksichtigt. Es werden nicht die Verbraucherdrücke allein gegeneinander verglichen bzw. geführt, sondern der jeweils anliegende maximale Verbraucherdruck des maximal belasteten Verbrauchers gegenüber den geringeren Verbraucherdrücken zuzüglich des Speicherdrucks.
• 6 offenbart die in 5 dargestellte Ausführung, bei der jeder der drei Verbraucher 1 bis 3 mit je einem in 3 dargestellten eigenen 3/2-Wegeventil 26 in den Rücklaufleitungen 12 ausgestattet ist. Dabei wird jedes 3/2-Wegeventil über eine hydraulische Verstellung geschaltet. Die für die Realisierung der Schaltbedingung gem. vorgenannter Formel (1) für das 3/2-Wegeventil erforderlichen Drücke sind der von den Verbrauchern abgerufenen maximalen Verbraucherdruck, der hydraulisch an der Überdruckventilleitung 33 abgegriffen wird, der an der Ablaufleitung 30 abgegriffene Speicherdruck sowie der je Verbraucher zwischen dem jeweiligen Steuerventil 4–6 und den Rückschlagventilen 20 abgegeriffenen Verbraucherdruck. Anstelle zum maximalen Verbraucherdruck sieht eine weitere Ausführung einen in den Figuren nicht dargestellten Abgriff des in Formel (1) genannten Systemdrucks P_Syst an der Speiseleitung 11 zwischen Pumpe 9 und den Individualdruckwaagen 22 bis 24 vor.
• Mögliche Leistungsflussströme im hydraulischen Kreislauf von der Pumpe 9 der Quelle zum Verbraucher 1–3 und zurück zur Tank 8 der Quelle der in 6 dargestellten Ausführung verlaufen wie folgt. Von der Pumpe 9 ausgehend wird das Hydraulikmedium durch die Speiseleitung 11 zu den drei Verbrauchern 1 bis 3 geleitet, wobei es nach einer Verzweigung in drei Verbraucherpfade je eine Individualdruckwaage 22 bis 24 und je ein Steuerventil 4 bis 6 passiert. Im Verbraucher erfolgt eine Entspannung des Hydraulikmediums um eine Druckdifferenz im Betrag des Verbraucherdrucks. Von dem Verbraucher erfolgt eine Weiterleitung über die Rücklaufleitung 12 über die Steuerventile 4–6 zu den jeweils einem Verbraucher zugeordneten 3/2-Wegeventilen 26. In den Wegeventilen erfolgt eine Überprüfung der Schaltbedingung gem. Formel (1) in vorgenannter Weise. Danach folgt entweder eine Weiterleitung über eine Einleitung in die Ablaufleitung 30 zum Speicher 27 oder direkt zu einem weiteren Verbraucher wie z. B. einer Pumpe, Kolben oder einen anderen hydraulischen Antrieb, oder eine Zurückleitung über einen weiteren Abschnitt der Rücklaufleitung 12 zurück in den Tank 8 (insbesondere im Falle des höchstbelasteten Verbrauchers), in der die Pumpe 9 Hydrauliköl aufnimmt.
• Mit Hilfe vorgenannter Schaltungen können die systembedingten Energieverluste aller angesprochener am Markt erhältlicher Lösungen reduziert werden und somit eine deutliche Steigerung der Energieeffizienz herbeiführen. Dabei werden nur einfache, günstige Standardkomponenten eingesetzt. Die Schaltentscheidung wird an jedem Verbraucher unabhängig von den restlichen Verbraucher getroffen, so dass keine komplexe Sensorik und Steuerschaltung notwendig ist.
• Literatur:
• [1] Einzel, R.: Elektrohydraulische Steuerungssysteme für mobile Arbeitsmaschinen; Dissertation TU Dresden 2010
• [2] Djurovic, M.: Energiesparende Antriebssysteme für die Arbeitshydraulik mobiler Arbeitsmaschinen, Elektrohydraulisches Load-Sensing; Dissertation TU Dresden 2007
• [3] Will D. et al.: Hydraulik: Grundlagen, Komponenten, Schaltungen; http://www.amazon.de/Hydraulik-Komponenten-Schaltungen-Dieter-Will/dp/3642172423/ref=pd_sim_sbs_b_1
• [4] Fedde T.: Elektrohydraulische Bedarfsstromsysteme am Beispiel eines Traktors; Dissertation, TU Braunschweig 2008; https://www.tu-braunschweig.de/imn/institut/foerderverein/veroeffentlichungen
• Bezugszeichenliste

1

Verbraucher 1

2

Verbraucher 2

3

Verbraucher 3

4

Steuerventil für Verbraucher 1

5

Steuerventil für Verbraucher 2

6

Steuerventil für Verbraucher 3

7

hydraulische Quelle

8

Tank

9

Pumpe

10

Pumpenantrieb

11

Speiseleitung

12

Rücklaufleitung

13

hydraulische Signalschaltung

14

Überdruckventil

15

Rücklauf

16

Verbraucherleistung des Verbrauchers 1

17

Verbraucherleistung des Verbrauchers 2

18

Verbraucherleistung des Verbrauchers 3

19

Verlustleistung

20

Rückschlagventil

21

Aktor

22

Individualdruckwaage für Verbraucher 1

23

Individualdruckwaage für Verbraucher 2

24

Individualdruckwaage für Verbraucher 3

25

Verlustleistung

26

3/2-Wegeventil

27

Speicher

28

Rückschlagventil

29

2/2-Wegeventil

30

Ablaufleitung

31

Rücklaufventil

32

Rückschlagventil

33

Überdruckventilleitung

Claims (6)

1. Hydraulisches Mehrverbrauchersystem mit energieeffizienter hydraulischer Schaltung, umfassend a) eine hydraulische Quelle (7) für einen Volumenstrom eines Hydraulikmediums, b) mindestens zwei Verbraucher (1, 2, 3) mit Steuerventil (4, 5, 6), die über je eine Speiseleitung (11) und je eine Rücklaufleitung (12) an die Quelle angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass c) mindestens ein hydraulischer Speicher (27) oder Puffer vorgesehen ist, d) der Speicher oder Puffer eine hydraulische Verbindung mit mindestens einer Rücklaufleitung aufweist sowie e) mindestens eine Rücklaufleitung Mittel zur Umleitung von Hydraulikmedium in den Speicher oder Puffer aufweist.
2. Hydraulisches Mehrverbrauchersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (27) oder Puffer eine weitere hydraulische Quelle für mindestens einen weiteren Verbraucher ist.
3. Hydraulisches Mehrverbrauchersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel mindestens ein Ventil (26, 29) umfassen.
4. Hydraulisches Mehrverbrauchersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein Umlenkventil (26) ist und die hydraulische Verbindung bildet.
5. Hydraulisches Mehrverbrauchersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein Absperrventil (29) der hydraulischen Verbindung nachgeschaltet ist.
6. Hydraulisches Mehrverbrauchersystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Speicher oder Puffer und der hydraulischen Verbindung ein Rückschlagventil vorgesehen ist.

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