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Die Erfindung betrifft einen Druckspeicher, insbesondere zur Unterstützung der Druckversorgung eines Hydrauliksystems in einem Kraftfahrzeug, umfassend ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiges Gehäuse mit zwei volumenveränderlichen Räumen, die durch ein in dem Gehäuse axial beweglich angeordnetes Trennglied räumlich voneinander getrennt und gegeneinander abgedichtet sind, wobei der erste Raum (Fluidraum) mit einer Hydraulikflüssigkeit und der zweite Raum (Gasraum) mit einem Druckgas befüllt ist
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Druckspeicher werden in vielen hydraulischen Systemen eingesetzt, beispielsweise in automatischen oder automatisierten Getrieben, zur Ansteuerung und Betätigung von Kupplungen, zur Betätigung einer Kolben-Zylinder-Einheit, in hydraulischen Antiblockier-Systemen (ABS) oder hydraulischen Nockenwellenverstellern. In hydraulischen Hybridantrieben, die als Alternative zu den elektrischen Hybridantrieben bekannt geworden sind werden Druckspeicher zur Zwischenspeicherung von Antriebsenergie genutzt. Neben dem gängigsten Einsatzzweck, der Zwischenspeicherung von hydraulischer Energie, können sie auch dazu dienen, betriebsbedingte Druckschwankungen eines Druckmittels (z. B. Hydrauliköl) in einem Leitungssystem auszugleichen, indem ein bestimmtes Volumen an Druckmittel unter einem vorbestimmten Druck auf Vorrat gehalten wird. Die Druckspeicher können dabei unterschiedliche Druckspeicherprinzipien und Druckspeicherausführungen aufweisen. Im Wesentlichen wird hierbei zwischen Energiespeichern mit mechanischen Federeinrichtungen und Energiespeichern mit Gasfüllungen (hydropneumatischen Druckspeichern) unterschieden.
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In der
DE 10 2007 060 951 A1 wird beispielsweise ein als Federspeicher ausgebildeter Druckspeicher, insbesondere für ein Hydroaggregat einer hydraulischen Fahrzeugbremsanlage mit einer elektronischen Radschlupfregelung, beschrieben. Dabei umfasst der Druckspeicher eine Speicherkammer, in welcher ein Kolben längsbeweglich gelagert ist und mittels eines Dichtelements einen mit hydraulischem Druckmittel befüllbaren ersten Kammerabschnitt gegen einen zweiten Kammerabschnitt abdichtet. Der Kolben wird durch ein in den ersten Kammerabschnitt eindringendes Fluid gegen die Kraft einer im zweiten Kammerabschnitt angeordneten Feder bewegt, wobei die Stellung des Kolbens das Volumen im jeweiligen Kammerabschnitt bestimmt. Federspeicher haben den Nachteil, dass sie nur sehr beschränkte Energiemengen im Verhältnis zum Eigengewicht aufnehmen können. Um eine größere Speicherkapazität zu erzielen, muss das Federelement entsprechend groß ausgelegt sein, wodurch sich das Gewicht des Druckspeichers entsprechend erhöht.
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In den meisten Hydraulikeinrichtungen werden hydropneumatische, d. h. gasbeaufschlagte Speicher mit Trennelement eingesetzt. Diese Druckspeicher werden nach dem Trennelement in Blasen-, Kolben- und Membranspeicher aufgeteilt. Ihre Funktionsweise beruht stets darauf, die Kompressibiltät eines Gases – meist Stickstoff – zur Flüssigkeitsspeicherung zu nutzen. Dabei ist das komprimierbare Gas dicht eingeschlossen und steht über das flexibelbewegliche Trennelement mit dem Druckmittel der hydraulischen Steuerungsvorrichtung in Wirkverbindung. Bei einer Erhöhung des Versorgungsdruckes des Druckmittels erfolgt hier eine Komprimierung des Gases und somit eine Erhöhung des Speichervolumens für das Druckmittel. Ein Nachteil der pneumatischen Druckspeicher besteht in ihrer starken Temperaturabhängigkeit.
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Bei sogenannten Blasen- oder Membranspeichern werden als Trennelement üblicherweise aus einem Elastomermaterial gebildete Speicherblasen oder Membranen eingesetzt, die randseitig an dem Druckspeicher eingespannt sind. Nachteilig ist die Anfälligkeit dieser Trennelemente gegen aggressive Medien. Zudem sind sie nicht vollständig druckdicht, so dass es zu einem Hindurchdiffundieren des Gases in die Hydraulikflüssigkeit kommen kann. Außerdem kann eine Membran oder Blase keinen großen Volumenänderungen folgen.
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Bei einem gattungsfremden Druckspeicher (
DE 10 2011 117 533 A1 ) ist beispielsweise ein elastisches, mit wenigstens einem Medium befülltes Membranelement vorgesehen, das im Innern des Druckspeichers ortsfest angeordnet ist. Das in Form eines elastischen Hohlkörpers ausgebildete Membranelement ist unter Druckbeaufschlagung des Druckspeichervolumens kompressibel und bei Druckabnahme dekompressibel. Die Steifigkeit bzw. Dichte des Mediums variiert temperaturabhängig. Zur Einstellung einer gewünschten Federhärte bzw. Dämpfungscharakteristik wird vorgeschlagen, dass der Druckspeicher eine Heizvorrichtung (Heizelement) zur selektiven Erwärmung des Mediums (Befüllmediums) aufweist. Das Heizelement ist hierbei im Innern des mit dem Medium befüllten Membranelements angeordnet.
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Sogenannte Kolbenspeicher sind dagegen im Prinzip gasdicht und leckagefrei ausgeführt und eignen sich gewöhnlich für große Volumenströme. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem äußeren Zylinderrohr, einem Kolben mit Dichtungssystem sowie zwei Verschlussdeckeln. Dabei nimmt das Zylinderrohr den inneren Druck auf und übernimmt auch die Führung des als Trennglied zwischen Gas- und Flüssigkeitsraum fungierenden, axial beweglichen Kolbens. Die
DE 10 2012 005 447 A1 offenbart einen gattungsgemäßen, als Kolbenspeicher ausgebildeten, Druckspeicher, umfassend ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiges Gehäuse, das zwei volumenveränderliche Räume begrenzt, die durch ein im Gehäuse beweglich angeordnetes Trennglied jeweils räumlich voneinander getrennt und gegeneinander abgedichtet sind. Dabei ist in dem einen Raum eine Hydraulikflüssigkeit und in dem anderen Raum ein Speichergas angeordnet. Die Hydraulikflüssigkeit wird im Druckspeicher unter Druck gespeichert, wobei beim Entladen des Druckspeichers hydraulische Energie abgegeben wird. Beim Befüllen des Druckspeichers komprimiert der Flüssigkeitsdruck der Hydraulikflüssigkeit das Speichergas. In dem Maße, in dem der Raum mit der Hydraulikflüssigkeit druckbedingt vergrößert wird, verkleinert sich der Raum mit dem Speichergas. Wird dagegen aus dem Druckspeicher Hydraulikflüssigkeit entnommen, dehnt sich das Speichergas (beispielsweise Stickstoff) entsprechend aus.
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Allerdings weist auch ein derartig ausgeführter Druckspeicher aufgrund des Einsatzes eines Gases eine starke Temperaturabhängigkeit mit entsprechender Auswirkung auf die Speicherkapazität auf. Bei großen Temperaturschwankungen, wie sie im Kraftfahrzeugbereich auftreten, ergeben sich unerwünscht große Druckschwankungen oder entsprechend große Variationen des verfügbaren Volumens aus dem Druckspeicher bei gegebenen Mindestarbeitsdrücken im Hydraulikkreis.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydropneumatischen Druckspeicher, insbesondere zur Unterstützung der Druckversorgung eines Hydrauliksystems in einem Kraftfahrzeug, zu schaffen, der im Prinzip unabhängig von der Umgebungstemperatur arbeitet und dabei mit relativ kleinem Gewicht eine große Speicherkapazität realisiert.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei einem Druckspeicher, insbesondere zur Unterstützung der Druckversorgung eines Hydrauliksystems in einem Kraftfahrzeug, umfassend ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiges Gehäuse mit zwei volumenveränderlichen Räumen, die durch ein in dem Gehäuse axial beweglich angeordnetes Trennglied räumlich voneinander getrennt und gegeneinander abgedichtet sind, wobei der erste Raum (Fluidraum) mit einer Hydraulikflüssigkeit und der zweite Raum (Gasraum) mit einem Druckgas befüllt ist, ist erfindungsgemäß dem Gasraum wenigstens ein Heizelement zugeordnet. Vorzugsweise ist das Trennglied dabei von einem Kolben gebildet.
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Das wenigstens eine Heizelement ist in einer vorteilhaften Ausführung innerhalb des Gasraumes angeordnet. Eine andere vorteilhafte Ausführung sieht die Anordnung des wenigstens einen Heizelementes in/an dem den Gasraum radial außen umhüllenden Gehäuse vor. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist das wenigstens eine Heizelement in/an einem den Gasraum axial abschließenden Abschlussdeckel angeordnet. Als Wärmequelle für das wenigstens eine Heizelement dienen dabei in vorteilhafter Weise im Kraftfahrzeug üblicherweise vorhandene Energiequellen, wie das mit dem Druckspeicher verbundene Hydrauliksystem, wie ein im Kraftfahrzeug vorhandenes elektrisches Netz, wie ein Kühlsystem des Motors oder die Abgaswärme des Kraftfahrzeuges.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugeordneter Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Druckspeichers in einer ersten Ausbildung,
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2 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Druckspeichers in einer zweiten Ausbildung,
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3 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Druckspeichers in einer dritten Ausbildung.
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In 1 ist eine erste Variante einer erfindungsgemäßen Ausbildung eines Druckspeichers 1 dargestellt, der über eine Druckmittelleitung 2 mit einem Hydrauliksystem 3 verbunden ist. Der Druckspeicher 1 umfasst ein im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildetes Gehäuse 4, in welchem zwei volumenveränderliche Räume 5, 6 angeordnet sind. Dabei dient der erste Raum/Fluidraum 5 der Aufnahme einer Hydraulikflüssigkeit und der zweite Raum/Gasraum 6 der Aufnahme eines kompressiblen Gases (z. B. Stickstoff). In axialer Richtung ist das Gehäuse 4 auf der Seite des Fluidraumes 5 mit einem Anschlussdeckel 7 und auf der Seite des Gasraumes 6 mit einem Abschlussdeckel 8 verschlossen. Auf den zugehörigen Anschluss bezüglich der Zuführung des kompressiblen Gases soll hier nicht näher eingegangen werden, da er nicht erfindungswesentlich ist. Auf ihren einander zugewandten Seiten werden Fluidraum 5 und Gasraum 6 durch ein Trennglied 9 räumlich voneinander getrennt. Das Trennglied 9 wird vorzugsweise von einem in dem Gehäuse 4 des Druckspeichers 1 axial beweglich angeordneten Kolben gebildet. Der Kolben 9 ist radial außen von einem Dichtring 10 umschlossen, welcher den Fluidraum 5 gegen den Gasraum 6 abdichtet. Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Heizelement 11 am und/oder im Gasraum 6 angeordnet, das seine Heizenergie von einer außerhalb des Druckspeichers 1 befindlichen Wärmequelle 12 bezieht. Bei der in 1 gezeigten Ausbildung des Druckspeichers 1 befindet sich das Heizelement 11 innerhalb des Gasraumes 6. Mittels des Heizelementes 11 kann der Gasraum 6 des Druckspeichers 1 auf ein gegenüber der Umgebungstemperatur höheres Temperaturniveau gebracht werden. Dabei wird die Wärmequelle 12 durch eine bereits im Fahrzeug vorhandene Energiequelle gebildet, wobei die Art des Heizelementes 11 (Wärmetauscher) in Abhängigkeit von der verwendeten Wärmequelle 12 variieren kann. So kann die Wärmequelle 12 vom Hydrauliksystem 3 – an das der Druckspeicher 1 angeschlossen ist – gebildet sein. Ölleitungen können hier beispielsweise die Verbindung zum Gasraum 6 herstellen. Eine andere Variante sieht vor, das im Fahrzeug vorhandene elektrische Netz als Wärmequelle 12 zu nutzen und elektrische Leitungen an die Heizstäbe des Heizelementes 11 zu führen. Eine weitere Möglichkeit der Verwendung einer im Fahrzeug vorhandenen Wärmequelle 12 besteht darin, das Kühlsystem des Motors zu nutzen und Kühlwasserleitungen an den Gasraum 6 des Druckspeichers zu führen. Schließlich sieht eine weitere Ausführung vor, die Abgaswärme zu nutzen und beispielsweise Abgasleitungen mit dem Gasraum 6 bzw. dem Heizelement 11 zu verbinden.
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Die 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausbildung des erfindungsgemäßen Druckspeichers 1. Der hier dargestellte Druckspeicher 1 unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Druckspeicher 1 lediglich in der Anordnung des wenigstens einen Heizelementes 11, welches hier radial zum Gasraum 6 angebracht ist. Vorzugsweise ist es hierbei in/an der Wand des Gehäuses 4 befestigt.
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In 3 ist eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Druckspeichers 1 einer dritten Variante gezeigt. Auch der hier dargestellte Druckspeicher 1 unterscheidet sich von dem in den vorherigen Figuren gezeigten nur durch die Anordnung des Heizelementes 11. Das Heizelement 11 befindet sich axial zum Gasraum 6 und ist vorzugsweise im/am Abschlussdeckel 8 angeordnet.
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Auch bei dem in 2 bzw. in 3 dargestellten Druckspeicher 1 können die gleichen Wärmequellen 12 wie bei dem in 1 beschriebenen Druckspeicher 1 Anwendung finden. Das heißt, die Heizenergie wird aus bereits im Fahrzeug vorhandenen Wärmequellen 12 entnommen.
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Dabei dienen die Heizelemente 11 im Prinzip der Aufrecherhaltung eines Basisdruckniveaus, das für den ordnungsgemäßen Betrieb des nachgeschalteten Hydrauliksystems 3 benötigt wird. Beispielsweise kann das in einem Temperaturbereich von +20°C bis +30°C der Fall sein. Befindet sich die Umgebungstemperatur oberhalb dieses Bereiches, so bedarf es keiner Zuschaltung der Heizelemente 11. Fällt die Temperatur unter diesen Bereich (hier unter +20°C), so werden die Heizelemente 11 eingeschaltet. Mit steigender Temperatur steigt auch der Druck, wobei bei Erreichen des angestrebten Basisdruckniveaus ein ordnungsgemäßes Arbeiten des Hydrauliksystems 3 gesichert ist. Die Messung und Übermittlung des kritischen Temperaturwertes erfolgt dabei beispielsweise über ein Sensorsystem. Im Fahrbetrieb des Fahrzeuges kann durch diese Anordnung von einem oder mehreren Heizelementen 11 im/am Gasraum 6 des Druckspeichers 1 das sich im Gasraum 6 befindende Gas schnell auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur aufgeheizt werden. Der erfindungsgemäße Druckspeicher 1 kann so in einem großen Temperaturbereich von beispielsweise –40°C bis +50°C und darunter/darüber eingesetzt werden.
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Natürlich ist auch eine Kombination der in den 1, 2 und 3 dargestellten Einbaumöglichkeiten des/der Heizelemente 11 möglich. Ebenso können bei Bedarf mehrere der weiter oben beschriebenen Wärmequellen 12 gemeinsam eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckspeicher
- 2
- Druckmittelleitung
- 3
- Hydrauliksystem
- 4
- Gehäuse
- 5
- erster Raum/Fluidraum
- 6
- zweiter Raum/Gasraum
- 7
- Anschlussdeckel
- 8
- Abschlussdeckel
- 9
- Trennglied/Kolben
- 10
- Dichtring
- 11
- Heizelement
- 12
- Wärmequelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007060951 A1 [0003]
- DE 102011117533 A1 [0006]
- DE 102012005447 A1 [0007]
