DE102017120545A1

DE102017120545A1 - Ventilbaugruppe für eine Spritzmaschine

Info

Publication number: DE102017120545A1
Application number: DE102017120545.4A
Authority: DE
Inventors: Harald WIESSMANN; Jürgen Kist; Rudolf Tigges
Original assignee: Altek Ges fur Allgem Landtechnik Mbh
Current assignee: Altek Ges fur Allgem Landtechnik Mbh
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2019-03-07
Anticipated expiration: 2037-09-07
Also published as: DE102017120545B4; EP3678482A1; WO2019048448A1

Abstract

Ventilbaugruppe (30) für eine Spritzmaschine (10), insbesondere für Landmaschinen (12) oder selbstfahrende Pflanzenschutzgeräte, umfassend ein erstes Ventil, das eine Durchflussmenge eines Spritzmittels (20) in Abhängigkeit einer Ventilstellung steuern kann, einen ersten elektrisch betriebenen Aktuator (40) zum Einstellen der Ventilstellung sowie einen Energiespeicher (78), der elektrische Energie zum Betreiben des Aktuators (40) bereitstellt. Die Ventilbaugruppe (30) weist ferner eine Ladeschaltung (102) zum Laden des Energiespeichers (78) sowie eine Steuer- und Auswerteeinheit (80) auf. Die Steuer- und Auswerteeinheit (80) ist dazu eingerichtet, einen Ladevorgang des Energiespeichers (78) zu steuern, so dass eine Ladezeit und ein Ladungsaufbau des Energiespeichers (78) zueinander linear sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilbaugruppe für eine Spritzmaschine, insbesondere für Landmaschinen oder selbstfahrende Pflanzenschutzgeräte, umfassend ein erstes Ventil, das eine Durchflussmenge eines Spritzmittels in Abhängigkeit einer Ventilstellung steuern kann, einen ersten elektrisch betriebenen Aktuator zum Einstellen der Ventilstellung sowie einen Energiespeicher, der elektrische Energie zum Betreiben des Aktuators bereitstellt.
Eine derartige Ventilbaugruppe ist aus der DE 10 2010 051 580 A1 bekannt.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Steuereinheit zum Steuern einer Spritzmaschine mit einer Vielzahl von Ventilbaugruppen sowie ein entsprechendes Verfahren und Computerprogramm.
In der Landwirtschaft spielt die Zuverlässigkeit einzelner Gerätekomponenten eine große Rolle. Sämtliche Gerätekomponenten werden im Betrieb, wie bspw. auf einem Feld, starken mechanischen Schwingungen ausgesetzt. Die Gerätekomponenten müssen gegenüber solchen mechanischen Schwingungen robust sein, um eine lange Lebensdauer gewährleisten zu können. Dies ist insbesondere deshalb notwendig, da Reparaturen am Einsatzort der landwirtschaftlichen Maschine gar nicht oder nur schwer durchführbar sind. Somit muss in schwierigen Fehlerfällen häufig der Betrieb zu Reparaturzwecken ganz eingestellt werden.
Für das Bespritzen von Feldern mit einem Spritzmittel werden Spritzmaschinen eingesetzt, die eine Vielzahl von Spritzdüsen aufweisen. Das jeweilige Spritzmittel wird mittels der Spritzdüsen auf das Feld abgegeben. Bei dem Spritzmittel kann es sich bspw. um Pflanzenschutz- oder Düngemittel handeln. Typischerweise sind die Spritzdüsen an einem Ausleger der Spritzmaschine angeordnet. Dieser Ausleger hat eine sehr große Breite, so dass eine möglichst große Fläche in kurzer Zeit gespritzt werden kann. Daraus folgt, dass eine hohe Anzahl von Spritzdüsen gleichzeitig benötigt wird, die entlang des Auslegers gleichmäßig angeordnet sind. Die Spritzmaschine weist sowohl den Ausleger als auch eine Landmaschine auf. Der Ausleger ist direkt an der Landmaschine befestigt oder befindet sich an einem Anhänger, der von der Landmaschine gezogen wird.
Die Durchflussmenge eines Spritzmittels wird über den Düsen vorgeschaltete Ventile gesteuert. Wie in der eingangs genannten DE 10 2010 051 580 A1 beschrieben, ist es vorteilhaft, die einzelnen Ventile elektronisch anzusteuern. Eine elektronische Steuerungsmöglichkeit der Spritzdüsen an den Auslegern bietet den Vorteil, dass diese sehr schnell gesteuert werden können und somit entlang des Auslegers sehr schnell eingestellt werden kann, ob und wie stark das Spritzmittel abzugeben ist. Dadurch kann sehr effizient gespritzt werden und verhindert werden, dass bereits bespritzte Ackerflächen erneut bespritzt werden, wenn die Spritzmaschine wendet oder einem Hindernis ausweicht. Zudem können Ventile mit elektrischen Aktuatoren sehr einfach individuell angesteuert werden, woraus sich eine sehr genaue und individuelle Steuerung ergibt.
Um zu verhindern, dass ein Bordsystem einer Landmaschine überlastet wird, wenn alle Ventile gleichzeitig angesteuert werden, sind an den Ventilen Energiespeicher vorgesehen, so dass ein Aktuator bei Bedarf sofort Energie aus dem Energiespeicher entnehmen kann und nicht direkt Energie aus der Stromversorgung der Landmaschine entnehmen muss. Auf diese Weise können Spitzenstromwerte in der Stromversorgung verhindert werden. Nach einer Ansteuerung des Ventils wird der Energiespeicher aus der Stromversorgung wieder beladen, und zwar vorzugsweise über eine Ladezeitdauer, die wesentlich länger ist als die Entladezeitdauer beim Betätigen des Aktuators. Hierfür kann ein wesentlich geringerer Strom von der Stromversorgung gezogen werden, als er bei einem direkten Betrieb des Ventils über die Stromversorgung benötigt würde. Die Höhe der notwendigen Stromaufnahme für jeden Energiespeicher zum Aufladen, kann zudem in Abhängigkeit einer verfügbaren Ladezeit angepasst werden.
In bekannten Systemen wird der Ladevorgang, insbesondere die Stromaufnahme, im Wesentlichen durch die physikalischen Eigenschaften des Energiespeichers bestimmt. Dabei hat sich gezeigt, dass ein unkontrolliertes Laden der Energiespeicher zu einem starken Erhitzen dieser führen kann, wodurch es zu Ausfällen der Energiespeicher kommen kann. Darüber hinaus wird der Alterungsprozess der Energiespeicher durch das Erhitzen stark beschleunigt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Ventilbaugruppe anzugeben, die eine zuverlässige und sichere Anwendung im Agrarbereich gewährleistet, ein schnelles Schalten einzelner Ventile gestattet und eine hohe Lebensdauer der beteiligten Komponenten ermöglicht.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Ventilbaugruppe eingangs genannter Art gelöst, die eine Ladeschaltung zum Laden des Energiespeichers sowie eine Steuer- und Auswerteeinheit aufweist, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, einen Ladevorgang des Energiespeichers zu steuern, so dass eine Ladezeit und ein Ladungsaufbau des Energiespeichers zueinander linear sind.
Die neue Ventilbaugruppe besitzt somit eine Ladeschaltung zum Laden des Energiespeichers sowie eine Steuer- und Auswerteeinheit, die den Ladevorgang des Energiespeichers steuert, um ein kontrolliertes Laden der Energiespeicher zu ermöglichen. Indem der Ladevorgang kontrolliert werden kann, kann der Vorgang für jede Ventilbaugruppe individuell angepasst werden. Insbesondere lässt sich der Ladevorgang verändern, um auf bestimmte Umstände zu reagieren. So darf der Ladezustand aller Ventile bspw. einen kritischen Pegel nicht unterschreiten, um eine Failsafe-Funktion zu gewährleisten. Die Steuer- und Auswerteeinheit zusammen mit der Ladeschaltung können Einfluss auf den kritischen Pegel nehmen sowie insgesamt den „Nachladebereich“ der Ventilbaugruppe variieren. Darüber hinaus ist es auch möglich, den Ladevorgang dynamisch, also im laufenden Betrieb anzupassen, um auf geänderte Bedingungen während des Spritzvorgangs reagieren zu können.
Vorteilhaft passt die Steuer- und Auswerteeinheit den Ladevorgang der Energiespeicher so an, dass eine Ladezeit und der Ladungsaufbau zueinander linear sind. In bevorzugten Ausführungsformen wird dies erreicht, indem die Steuer- und Auswerteeinheit über die Ladeschaltung einen Widerstand an die Ladespannung anpasst. Auf diese Weise kann ein Ladestrom vorteilhaft begrenzt und ein starkes Erhitzen der Energiespeicher vermieden werden. Zudem kann das degressive Verhalten der Ladespannung vorteilhaft kompensiert werden, wodurch eine lineare Ladekurve ermöglicht wird. In bevorzugten Ausführungsformen kann hierdurch die Ladezeit einer vollständigen Ladung auf unter 10 s reduziert werden.
Aus der Möglichkeit den Ladevorgang des Energiespeichers einer Ventilbaugruppe zu kontrollieren, ergeben sich somit die Vorteile, dass ein Nachladen beschleunigt werden kann und somit eine schnellere Ventilschaltung ermöglicht wird. Gleichzeitig kann der Ladevorgang dahingehend optimiert werden, dass die Energiespeicher weniger stark erhitzen und somit eine vorzeitige Alterung verringert werden kann. Darüber hinaus lässt sich der Ladestrom vorteilhaft anpassen, so dass der Energiebedarf für die Ladung der Energiespeicher an die Stromversorgung einer Landmaschine angepasst werden kann. Somit wird eine zuverlässige und sichere Anwendung im Agrarbereich gewährleistet, ein schnelles Schalten der einzelnen Ventile gestattet und eine hohe Lebensdauer der verwendeten Komponenten ermöglicht. Die eingangs genannte Aufgabe ist damit vollständig gelöst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung, ist der Energiespeicher eine Serienschaltung einer Vielzahl von elektrischen Kondensatoren.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es mehrere kleinere Kondensatoren als Energiespeicher zusammenzuschalten. Kleinere Kondensatoren sind günstiger und aufgrund der vergrößerten Oberfläche leichter zu kühlen. Da bei einer Serienschaltung der Ladestrom von einem Kondensator zum anderen fließen muss, verlängert sich grundsätzlich die Ladezeit des gesamten Energiespeichers. Dies kann jedoch vorteilhaft durch einen dynamisierten Ladevorgang, wie er durch die Ladeschaltung und die Steuer- und Auswerteeinheit erreicht wird, kompensiert werden. Die Ausgestaltung trägt somit vorteilhaft zu einer Optimierung des Gesamtsystems bei.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Ladeschaltung dazu ausgebildet, einen Ladestrom zum Energiespeicher zu begrenzen.
Die Ladeschaltung begrenzt den Ladestrom auf einen definierten Wert, so dass das Laden einer Vielzahl von Energiespeichern verschiedener Ventilbaugruppen an die vorhandene Stromversorgung angepasst werden kann. Darüber hinaus kann durch diese Ausgestaltung insbesondere eine Überlastung der Stromversorgung vorteilhaft ausgeschlossen werden.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Ladeschaltung eine aktive Energiesteuerung auf.
In dieser Ausgestaltung wird der Ladevorgang somit mit einer aktiven Baugruppe, vorzugsweise einer integrierten Schaltung, realisiert. Eine aktive Energiesteuerung verhindert effektiv Überspannungen an den Energiespeicher während des Ladevorgangs. Darüber hinaus kann die aktive Energiesteuerung als vollständig integrierte Einzelchiplösung ausgebildet sein, die zusätzlich zur Ladestrombegrenzung weitere Kontrollmechanismen, Überwachungsfunktionen oder Schutzeinrichtungen zum Laden einer Vielzahl von Kondensatoren bereitstellt. Eine aktive Energiesteuerung kann somit die Sicherheit und Funktionalität erhöhen, während gleichzeitig der Aufbau einer Ladeschaltung sowie deren Steuerung über eine separate Steuer- und Auswerteeinheit vereinfacht werden kann.
In einer alternativen Ausgestaltung weist die Ladeschaltung eine passive Energiesteuerung auf.
In dieser Ausgestaltung ist die Energiesteuerung vorteilhaft aus diskreten Bauteilen aufgebaut. Dies hat den Vorteil, dass die Ladeschaltung kostengünstig realisiert werden kann. Beispielsweise kann eine Strombegrenzung zweckmäßig mittels PWM, d.h. unter Einsatz eines FET und einer Speicherdrossel erfolgen. Alternativ lässt sich eine Stromregelung mittels LDO realisieren. Besonders bevorzugt wird jedoch ein SEPIC-Regler eingesetzt, um Energieverluste bei dem Ladevorgang zu minimieren. Darüber hinaus kann eine passive Energiesteuerung auch robust gegen äußere Einflüsse geschützt werden, wodurch insgesamt eine robustere Ladeschaltung ermöglicht wird.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet, die Ventilstellung des ersten Ventils zu messen und zu melden.
In dieser Ausgestaltung wird die Ventilstellung, also eine bestimmte Position der Ventilstößel, mittels GMR-Sensoren überwacht und an eine übergeordnete Einheit gemeldet. Insbesondere kann die Steuer- und Auswerteeinheit über Sensoren bestimmen, ob die Ventilstößel einen definierten Punkt durchfahren haben. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Funktionsfähigkeit der einzelnen Ventil der Ventilbaugruppe einfach überprüft werden kann, wodurch die Zuverlässigkeit der Ventilbaugruppe weiter erhöht werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet, eine Temperatur an dem Energiespeicher zu bestimmen und zu melden.
In dieser Ausgestaltung verfügt die Steuer- und Auswerteeinheit somit über eine Möglichkeit über einen Temperatursensor die Temperatur an dem Energiespeicher zu bestimmen. Bei dem Temperatursensor kann es sich um einen separaten Sensor handein, der baulich in der Nähe des Energiespeichers angeordnet ist oder aber um einen in der Steuer- und Auswerteeinheit integrierten Sensor, der dazu ausgebildet ist, die Temperatur in der Umgebung der Steuer- und Auswerteeinheit zu bestimmen, die zu diesem Zweck in der Nähe des Energiespeichers angeordnet wird. Letztere Ausgestaltung ist vorteilhaft, da bei vielen handelsüblichen Mikrokontrollern, die als Steuer- und Auswerteeinheit verwendet werden können, bereits Temperatursensoren integriert sind und somit kein zusätzliches Bauteil benötigt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet, den Energiespeicher in Abhängigkeit einer zu erwartenden Ventilaktivität zu laden.
In dieser Ausgestaltung ist die Steuer- und Auswerteeinheit somit dazu angepasst, den Energiespeicher dynamisch zu laden, während Parameter berücksichtigt werden, die nicht unmittelbar mit dem physischen Ladevorgang zusammenhängen. Ein solcher Parameter ist die zu erwartende Ventilaktivität, die anhand einer sog. Feldkarte vorausberechnet sein kann. Die Ventilaktivität gibt an, wann und wie lange eine Düse eingeschaltet ist und somit wie oft das Ventil an- und ausgeschaltet werden muss. Die Ausgestaltung hat somit den Vorteil, dass der Ladevorgang nicht nur von physikalischen Parametern bestimmt wird, sondern auch Parameter aus dem Ablauf des Spritzvorgangs in Betracht gezogen werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Ventilbaugruppe ferner ein zweites Ventil sowie einen zweiten elektrisch betriebenen Aktuator auf, um die Durchflussmenge des Spritzmittels zu steuern, wobei der Energiespeicher dazu ausgebildet ist, Energie zum Betreiben des ersten und des zweiten Aktuators bereitzustellen.
In dieser Ausgestaltung verfügt die Ventilbaugruppe wenigstens über ein weiteres Ventil, um die Durchflussmenge durch dieselbe oder eine weitere Düse zu steuern. Die Energie, die zum Betreiben des weiteren Aktuators notwendig wird, kommt vorteilhafterweise aus demselben Energiespeicher, so dass nur ein Energiespeicher für mehrere Ventile benötigt wird. Dies hat den Vorteilhaft, einer flexiblen und gleichzeitig kompakten Ausgestaltung der Ventilbaugruppe.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Ventilbaugruppe eine zweite Steuer- und Auswerteeinheit zum Steuern des zweiten Aktuators auf, wobei die zweite Steuer- und Auswerteeinheit der ersten Steuer- und Auswerteeinheit untergeordnet ist.
In dieser Ausgestaltung besitzt die Ventilbaugruppe somit eine separate Steuer- und Auswerteeinheit für das zweite Ventil und den zweiten elektrisch betriebenen Aktuator. Die weitere Steuer- und Auswerteeinheit ist der ersten Steuer- und Auswerteeinheit untergeordnet, so dass gemeinsame Funktionen von der ersten Steuer- und Auswerteeinheit ausgeführt werden können, wodurch die zweite Steuer- und Auswerteeinheit günstiger ausgebildet sein kann. Vorteilhafterweise arbeiten die erste und die zweite Steuer- und Auswerteeinheit als Master-Slave-Kombination zusammen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die erste Steuer- und Auswerteeinheit eine Bus-Schnittstelle zur Kommunikation mit einem Bus auf, wobei die zweite Steuer- und Auswerteeinheit über die Bus-Schnittstelle der ersten Steuer- und Auswerteeinheit auf den Bus zugreift.
In dieser Ausgestaltung ist somit nur die erste Steuer- und Auswerteeinheit zur Kommunikation mit einer übergeordneten Steuerung ausgebildet. Die zweite Steuer- und Auswerteeinheit hingegen ist mit der ersten Steuer- und Auswerteeinheit über einen einfachen Kommunikationskanal verbunden, wobei über die Kommunikationsschnittstelle der ersten Steuer- und Auswerteeinheit eine Kommunikation der zweiten Steuer- und Auswerteeinheit mit einer übergeordneten Steuerung möglich ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders einfache Verkabelung, da die Ventilbaugruppe nur eine einzelne Verbindung zu einem Kommunikationsbus aufweisen muss, und dennoch mehrere Ventile vorteilhaft individuell gesteuert werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Ventilbaugruppe ein Gehäuse mit einem ersten Gehäuseteil und einem von dem ersten getrennten zweiten Gehäuseteil auf, wobei durch den ersten Gehäuseteil das Spritzmittel begrenzt durch das erste Ventil gefördert wird und in dem zweiten Gehäuseteil die Steuer- und Auswerteeinheit sowie der erste elektrische Aktuator angeordnet sind.
In dieser Ausgestaltung ist ein Gehäuse der Ventilbaugruppe modular ausgebildet. Durch einen ersten Gehäuseteil wird das Spritzmittel gefördert, während in einem separaten zweiten Gehäuseteil die Elektronik angeordnet ist. Die Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Elektronik effektiv von dem Spritzmittel getrennt wird. Darüber hinaus können die einzelnen Gehäuseteile aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein, die für den jeweiligen Verwendungszweck geeignet sind.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Energiespeicher zur Kühlung durch das Spritzmittel an einer Wand des ersten Gehäuseteils angeordnet.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Energiespeicher nicht nur durch die neue Ladeschaltung weniger stark erhitzt wird, sondern der Energiespeicher zudem aktiv gekühlt werden kann. Da üblicherweise eine große Menge an Spritzmittel für einen Spritzvorgang mitgeführt wird, erhitzt sich das Spritzmittel nur geringfügig, so dass dieses zu einer effektiven Kühlung herangezogen werden kann. Indem die Energiespeicher unmittelbar an einer Wand des ersten Gehäuseteils angeordnet sind, befinden sich die Energiespeicher in unmittelbarer Nähe zum Spritzmittel und werden durch dieses gekühlt. Dies hat den Vorteil, dass die Lebensdauer der Energiespeicher weiter vorteilhaft erhöht wird, da die Umgebungstemperatur der Energiespeicher insgesamt verringert werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Ventilbaugruppe in einem Verbund mit weiteren Ventilbaugruppen verwendbar, und die Steuer- und Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet, ein Signal zu empfangen, welches eine Ladepriorität der Ventilbaugruppe im Verbund repräsentiert, um in Abhängigkeit des Signals den Energiespeicher zu laden.
In dieser Ausgestaltung ist die Ventilbaugruppe somit vorteilhaft in einem System verwendbar, welches über mehrere Ventilbaugruppen verfügt. Indem eine Ladepriorität vorgegeben wird, können die Energiespeicher vorteilhaft so geladen werden, dass diese nur geringfügig belastet werden. Beispielsweise kann bei einer niedrigen Priorität der Energiespeicher nur langsam geladen werden, so dass sich dieser nur wenig erhitzt. Die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der Energiespeicher kann so vorteilhaft erhöht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe ferner durch eine Steuereinheit zum Steuern einer Spritzmaschine mit einer Vielzahl von Ventilbaugruppen gelöst, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Ladezustände der Energiespeicher der Vielzahl von Ventilbaugruppen zu bestimmen und einen Ladevorgang der Energiespeicher in Abhängigkeit der Ladezustände zu steuern.
Es ist somit eine Idee eine Vielzahl von Ventilbaugruppen zu verwenden und über eine zentrale Steuereinheit zu steuern. Dabei werden die Ladezustände der einzelnen Energiespeicher der Ventilbaugruppen ausgelesen und in Abhängigkeit der Ladezustände, die individuellen Ladevorgänge der Energiespeicher der Ventilbaugruppen gesteuert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, eine Priorisierung der Energiespeicher anhand der Ladezustände vorzunehmen und die Priorisierung an die Ventilbaugruppen zu übermitteln.
Die Steuereinheit priorisiert somit die Ladevorgänge anhand der aktuellen Ladezustände, wobei die Steuerung der Ladevorgänge vorteilhafterweise von den Ventilbaugruppen bzw. den darin enthaltenen Steuer- und Auswerteeinheiten, vorgenommen wird, so dass die Steuereinheit lediglich die Priorisierung an die Ventilbaugruppen übermitteln muss.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, anhand der Ladezustände eine Änderung einer vorberechneten Ventilaktivität zu bestimmen und die Änderung an einen Leitrechner zu melden.
In dieser Ausgestaltung kann die Steuereinheit zusätzlich oder alternativ zur Priorisierung der Ladevorgänge auch eine Änderung einer vorberechneten Ventilaktivität bestimmen und diese Änderung an einen Leitrechner zu melden. Dieser Ausgestaltung hat den Vorteil, dass auch weitere Möglichkeit in Betracht gezogen werden können, um den Ladevorgang günstig zu beeinflussen, so dass die Energiespeicher möglichst schonend geladen werden können. Beispielsweise kann die Fahrgeschwindigkeit verringert werden, wodurch sich die Ventilaktivität verringert, wodurch wiederum mehr Zeit für den Ladevorgang gegeben ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, einen Druck des Spritzmittels anzupassen und einen definierten Sollausstoß an Spritzmittel einzustellen, indem es eine zu erwartende Ventilaktivität der Vielzahl von Ventilbaugruppen reduziert und eine Druckanpassung vornimmt.
In dieser Ausgestaltung passt die Steuereinheit die Sollausstoßmenge somit über eine Druckanpassung des Spritzmittels an, so dass eine Ventilaktivität verringert werden kann. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund der verringerten Ventilaktivität mehr Zeit zum Laden der Energiespeicher zur Verfügung steht, wodurch diese schonender geladen werden können.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Rückansicht einer schematischen Darstellung einer Spritzmaschine,
2 eine perspektivische Darstellung eines ersten und eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der neuen Ventilbaugruppe,
3 das erste Ausführungsbeispiel aus der 2 in einer Seitenansicht,
4 eine Querschnittsdarstellung durch das Ausführungsbeispiel aus 3,
5 eine perspektivische Darstellung eines ersten Gehäuseteils der neuen Ventilbaugruppe,
6 das Gehäuseteil aus 5 in einer Seitenansicht,
7 einen Querschnitt durch den Gehäuseteil aus 6,
8 ein Ersatzschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Steuer- und Auswerteeinheit und Ladeschaltung,
9 ein Ersatzschaltbild eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Steuer- und Auswerteeinheit und Ladeschaltung,
10 ein Ersatzschaltbild eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Steuer- und Auswerteeinheit und Ladeschaltung, und
11 eine eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der neuen Steuereinheit.

1 zeigt eine landwirtschaftliche Spritzmaschine, die in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Spritzmaschine ist hier eine Landmaschine 12 in Form eines Traktors, an dem ein Ausleger 14 befestigt ist. Der Ausleger weist fünf Sektionen 16 auf. Diese können zueinander verschwenkt werden, um den Ausleger 14 für einen Transport einzuklappen. An dem Ausleger ist ein Tank 18 angeordnet, der ein Spritzmittel 20 enthält. Entlang des gesamten Auslegers 14 sind Spritzdüsen 22 verteilt. Die Spritzdüsen 22 sind über Schlauch- oder Rohrleitungen mit dem Tank 18 verbunden, so dass das Spritzmittel 20 zu den Spritzdüsen gefördert werden kann. Die Schlauch- oder Rohrleitungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Spritzdüsen 22 dienen dazu, das Spritzmittel 20 als Spritzstrahl 24 auf dem Boden 26 abzugeben. Durch eine Vielzahl der erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe können die Spritzdüsen 22 individuell angesteuert werden.
Wie in 1 beispielhaft gezeigt ist, sind nur die jeweils äußeren sechs Spritzdüsen 22 in Betrieb. Somit werden lediglich Bodenbereiche 28 und 28' mit dem Spritzmittel 20 bespritzt. Durch die Möglichkeit, jede Spritzdüse individuell ansteuern zu können, kann der Boden 26 besonders exakt mit der jeweils notwendigen Menge an Spritzmittel 20 bespritzt werden. In besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Landmaschine 12 mit einem GPS-Empfänger und einem Bordcomputer (Leitrechner) ausgerüstet. Der GPS-Empfänger und der Bordcomputer verfolgen die Bewegungen der Spritzmaschine 10 und speichern die bereits bespritzten Bodenbereiche ab. Schwenkt der Ausleger 14 über einen bereits bespritzten Bodenbereich 28, 28', dann schaltet der Bordcomputer die entsprechenden Düsen 22 automatisch ab. Dadurch wird ein mehrfaches Bespritzen der Bodenbereiche 28, 28' verhindert. Darüber hinaus ist es möglich, sogenannte Feldkarten einzulesen, anhand derer bestimmt wird, welche Bodenbereiche 28, 28' mit welcher Menge an Spritzmitteln bespritzt werden sollen. Anhand der Feldkarte und den GPS-Daten vom GPS-Empfänger kann ein zu bearbeitender Boden 26 zielgerichtet bespritzt werden.
2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein erstes und ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der neuen Ventilbaugruppe. Das erste Ausführungsbeispiel ist hier in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 30a und das zweite Ausführungsbeispiel ist in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 30b bezeichnet. Im Allgemeinen werden die neue Ventilbaugruppe im Folgenden mit der Bezugsziffer 30 bezeichnet.
Die Ventilbaugruppe 30a gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst vier Spritzdüsen, über die Spritzmittel abgegeben werden kann. Das zweite Ausführungsbeispiel 30b ist dazu eingerichtet, über zwei Spritzdüsen 22 Spritzmittel abzugeben. Die Ventilbaugruppe 30 ist über eine Halterung 32 mit einer Spritzmittelzuführung 34 verbunden. Die Spritzmittelzuführung 34 ist hier ein Rohr, über das Spritzmittel 20 aus dem Tank zu den Düsen 22 geführt wird. Die Spritzmittelzuführung 34 ist so ausgebildet, dass ein Spritzmittel innerhalb der Spritzmittelzuführung 34 mit einem konstanten Druck gefördert werden kann. Das heißt an den Ventilbaugruppen 30a, 30b kommt das Spritzmittel 20 mit konstantem Druck an.
Die Ventilbaugruppe 30 ist in einem Gehäuse 36 angeordnet, das sich aus mehreren Gehäuseteilen zusammensetzt. Ein erster Gehäuseteil 38 ist über die Halterung 32 mit der Spritzmittelzuführung 34 verbunden. Durch den ersten Gehäuseteil 38 wird das Spritzmittel von der Spritzmittelzuführung 34 zu den einzelnen Düsen 22 gefördert. Die Flüssigkeitsmenge, die an den Düsen 22 abgegeben wird, kann über Ventile innerhalb des Gehäuseteils 38 reguliert werden.
Eine Ventilbaugruppe 30 weist mindestens ein Ventil auf. Vorzugsweise ist für jede Spritzdüse 22 ein eigenes Ventil vorgesehen, über welches eine Durchflussmenge eines Spritzmittels zu der Düse reguliert wird. Die Ansteuerung der einzelnen Ventile erfolgt je über einen elektrisch betriebenen Aktuator, der die Ventilstellung schrittweise verändern kann. Im ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Ventilbaugruppe 30a vier Spritzdüsen 22, die individuell gesteuert werden können. Im zweiten Ausführungsbeispiel umfasst die Ventilbaugruppe 30b zwei Spritzdüsen 22, die individuell gesteuert werden können.
In beiden Ausführungsbeispielen sind erste elektrische Aktuatoren 40a und 40b in einem zweiten Gehäuseteil 42 angeordnet. Der zweite Gehäuseteil 42 ist mit dem ersten Gehäuseteil 38 gekoppelt, so dass die ersten elektrisch betriebenen Aktuatoren 40a, 40b die Ventile, insbesondere die Ventilstößel, innerhalb des ersten Gehäuseteils 38 einstellen können, um die Durchflussmenge an Spritzmittel durch den ersten Gehäuseteil 38 zu den Düsen 22 zu regulieren.
Neben den elektrisch betriebenen Aktuatoren 40a, 40b ist im zweiten Gehäuseteil vorteilhaft die Elektronik der Ventilbaugruppe angeordnet. Die Elektronik umfasst eine Steuer- und Auswerteeinheit angeordnet (hier nicht sichtbar dargestellt), über welche die elektrisch betriebenen Aktuatoren und somit die Ventile gesteuert werden können, sowie eine Ladeschaltung zum Laden von Energiespeichern, die Energie zum Betreiben der elektrisch betriebenen Aktuatoren bereitstellen. Über einen Anschlussstecker 44, beispielsweise ein spritzwassergeschützter Stecker, wird die Steuer- und Auswerteinheit mit einer zentralen Steuervorrichtung gekoppelt und mit Energie aus einem Bordnetz der Landmaschine versorgt. Ebenso wird die Ladeschaltung über den Anschlussstecker 44 mit Energie aus dem Bordnetz versorgt.
Die elektrisch betriebenen Aktuatoren werden nicht unmittelbar von einer Versorgungsspannung der zugehörigen Landmaschine betrieben, sondern entnehmen die Energie zum Schalten aus einem Energiespeicher, der an der Ventilbaugruppe angeordnet ist und über die Ladeschaltung geladen wird. Die Ladeschaltung und der Ladevorgang wird mit Bezug auf die 8 bis 10 näher erläutert.
Die Ventilbaugruppe 30a gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist neben dem zweiten Gehäuseteil 42 einen dritten Gehäuseteil 46 auf, in dem zwei weitere zweite elektrisch betriebene Aktuatoren 48a, 48b angeordnet sind. Die zweiten elektrischen Aktuatoren beeinflussen die Ventilstellung von zwei weiteren Ventilen, die eine Durchflussmenge an Spritzmittel zu zwei weiteren Düsen 22 regulieren. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die hier gezeigten Gehäuseformen beschränkt ist. Insbesondere sind auch Ventilbaugruppen denkbar, die eine andere Zahl an Spritzdüsen aufweist, die separat über ein Ventil steuerbar sind. Ebenso ist es denkbar, dass in anderen Ausführungsbeispielen mehrere Spritzdüsen nur von einem Ventil reguliert werden. Ebenso versteht es sich, dass, wie in der 2 gezeigt, unterschiedliche Ventilbaugruppen an einer gemeinsamen Spritzmittelzuführung 34 angeordnet sind, die zusammen betrieben werden können.
In den 3 und 4 ist das erste Ausführungsbeispiel gemäß der 2 in verschiedenen Ansichten dargestellt. 3 zeigt eine Seitenansicht der neuen Ventilbaugruppe 30 und 4 zeigt einen Querschnitt durch die Ventilbaugruppe 30, wie durch die gestrichelte Linie in 3 angedeutet ist.
Die Halterung 32 ist hier eine Gelenkschelle, mittels derer die Ventilbaugruppe an eine Spritzmittelzuführung 34 (hier nicht dargestellt) befestigt werden kann. Auf der Ventilgruppe zugewandten Seite der Halterung 32 ist eine Öffnung 50 vorgesehen, über die das Spritzmittel aus der Spritzmittelzuführung in den ersten Gehäuseteil 38 hineinströmen kann. Innerhalb des Gehäuseteils 38 befindet sich ein Hohlraum, in dem sich die zugeführte Spritzmittelflüssigkeit sammelt. Von dem Hohlraum führen einzelne Kanäle zu separaten Düsenanschlüssen 54, an denen die Spritzdüsen (hier nicht dargestellt) befestigt werden können. Über die Kanäle 52 wird das Spritzmittel kontrolliert zu den einzelnen Düsenanschlüssen 54 gefördert.
In die Kanäle können über die elektrischen Aktuatoren 40, 48 Ventilstößel 56 verfahren werden, um eine Durchflussmenge an Spritzmittel von dem Hohlraum zu den einzelnen Düsenanschlüssen 54 zu regulieren. In 4 ist beispielsweise der Ventilstößel 56 durch den ersten elektrischen Aktuator 40 aus dem Kanal 52 herausgezogen, so dass Spritzmittel ungehindert von der Spritzmittelzuführung über den Hohlraum im ersten Gehäuseteil 38 durch die Kanäle 52 zum Düsenanschluss 54 strömen kann. Der weitere Ventilstößel 56 ist in diesem Ausführungsbeispiel mittels des zweiten elektrischen Aktuators 48 in den Kanal 52 eingeschoben, so dass ein Spritzmittelfluss vom Hohlraum hin zum Düsenanschluss 54 blockiert ist. Es versteht sich, dass neben dem vollständigen Schließen und dem vollständigen Öffnen des Kanals 52 ebenso die Möglichkeit besteht, den Kanal 52 nur teilweise zu verschließen, um nur eine begrenzte Menge an Spritzmittel zu den Düsenanschlüssen 54 gelangen zu lassen. Die elektrischen Aktuatoren sind somit bevorzugt Schrittmotoren, die die Ventilstößel schrittweise verfahren können.
In dem hier dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zudem Sensoren 58 an den Ventilen vorgesehen, anhand derer die Position des Ventilstößels 56 eines Ventils bestimmt werden kann. Bei den Sensoren handelt es sich beispielsweise um GMR-Sensoren oder Hall-Sensoren, wobei die Positionsbestimmung an einem definierten Punkt erfolgt, d.h. der Sensor 58 ist dazu ausgebildet ein Signal bereitzustellen, wenn der Ventilstößel einen bestimmten Punkt überschritten hat.
Die Positionsbestimmung kann für verschiedene Anwendungen herangezogen werden, beispielsweise als Feedback für die Steuer- und Auswerteeinheit, welche die elektrischen Aktuatoren 40 steuert. In einem Ausführungsbeispiel bestimmt die Steuer- und Auswerteeinheit einen ersten Zeitpunkt, an dem der elektrisch betriebene Aktuator das Signal zum Stellen des Ventils erhält, und einen zweiten Zeitpunkt, an dem die Steuer- und Auswerteeinheit das Signal der Sensoren 58 erhält, welches anzeigt, dass der Ventilstößel einen definierten Punkt überschritten hat. Anschließend vergleicht die Steuer- und Auswerteeinheit die Laufzeit, also die zeitliche Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt, mit einem Sollwert, um zu bestimmen, ob das Ventil ordnungsgemäß schaltet, oder ob ggf. das Ventil verstopft ist, sodass sich der Ventilstößel nicht richtig bewegt. Durch die Positionssensoren kann somit auf einfache Weise die Funktionsfähigkeit der Ventile überprüft werden, wodurch die Zuverlässigkeit der Ventilbaugruppe vorteilhaft erhöht wird.
Die 5 bis 7 zeigen verschiedene Ansichten eines ersten Gehäuseteils 38 des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1. 5 zeigt eine perspektivische Darstellung des ersten Gehäuseteils 38 einschließlich der Halterung 32, mit der die Ventilbaugruppe an einer Spritzmittelzuführung befestigt wird. 6 zeigt eine entsprechende Seitenansicht und 7 eine Querschnittsdarstellung des ersten Gehäuseteils 38.
Der erste Gehäuseteil 38 ist im hier dargestellten Ausführungsbeispiel dazu eingerichtet, eine Spritzmittel auf vier Spritzdüsen (hier nicht dargestellt) zu verteilen. Hierzu weist der erste Gehäuseteil 38 einen zylinderförmigen Zentralkörper 60 auf, der an seiner Oberseite mit der Halterung 32 gekoppelt ist. Beispielsweise weist die Halterung 32 einen Deckelteil 62 auf, der auf den Zentralkörper 60 aufgesteckt oder aufgeschraubt werden kann.
An dem Zentralkörper 60 sind tangential zu dessen Oberfläche zwei Ventilkörper 64 angeordnet. An jedem Ventilkörper 64 sind wiederum hierzu senkrecht zwei zylinderförmige Düsenanschlüsse 54 angeordnet. Insgesamt können somit an dem ersten Gehäuseteil 38 in diesem Ausführungsbeispiel vier Spritzdüsen angeordnet werden.
Der Zentralkörper 60 ist innen hohl und auf der Halterung gegenüberliegender Seite mit einer Bodenplatte 66 verschlossen. Der Hohlraum 68 innerhalb des Zentralkörpers 60 weist eine Öffnung 50 zur Halterung 32 hin auf, die in einem Anschlussstück 70 in der Halterung 32 mündet. Über das Anschlussstück 70 wird die Ventilbaugruppe mit einer Spritzmittelzuführung (hier nicht dargestellt) gekoppelt. Spritzmittel gelangt durch das Anschlussstück 70 und die Öffnung 50 in den Hohlraum 68. Der Hohlraum erstreckt sich über Kanäle 52 in die Ventilkörper 64. Die Kanäle 52 setzen sich durch den Ventilkörper fort in die Düsenanschlüsse 54. Ein Spritzmittel kann somit vom Anschlussstück 70 über den Hohlkörper 68 durch die Ventilkörper 64 in die Düsenanschlüsse 54 fließen.
In die Ventilkörper 64 können von zwei Seiten Ventilstößel (hier nicht dargestellt) in die Kanäle 52 eingeschoben werden. Die Ventilstößel sind dazu ausgebildet, die Kanäle zu verschließen, so dass kein Spritzmittel vom Hohlkörper 68 in den jeweiligen Düsenanschluss 54 fließen kann. Für jeden Düsenanschluss 54 ist somit ein Ventilstößel vorgesehen, mit dem eine Durchflussmenge an Spritzmittel vom Hohlkörper 68 in den jeweiligen Düsenanschluss 54 geregelt werden kann. Über die Stößel kann ein Spritzmittelausstoß über einen definierten Bereich bis hin zu den Zustand, in dem kein Spritzmittel mehr in die Düsenanschlüsse 54 gefördert wird, geregelt werden.
In bevorzugten Ausführungsformen ist der erste Gehäuseteil 38 modular aufgebaut. Insbesondere sind die Ventilkörper 64 lösbar am Zentralkörper 60 angeordnet, so dass diese vom Zentralkörper 60 abgenommen und durch andere ersetzt werden können. Vorzugsweise umfassen die Ventilkörper 64 die Düsenanschlüsse und sind einstückig ausgebildet. Die Ventilkörper 64 können auf eine Kupplung 72, die hier aus einem Gummiring 74 gebildet wird, aufgesetzt werden. Durch die modulare Ausgestaltung können an einem Grundkörper 60 unterschiedliche Ventilkörper angeordnet werden. Beispielsweise kann an die Kupplung ein Ventilkörper mit nur einem Düsenanschluss 54 angeschlossen werden, wie er beispielsweise im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß der 1 gezeigt ist. Die modulare Bauweise führt zu erheblichen Kostenersparungen bei der Herstellung, da der erste Gehäuse teil flexibel verwendet werden kann.
Neben den Kupplungen 72 ist an der Außenfläche 76 des Zentralkörpers 60 eine Halterung vorgesehen, mit der Energiespeicher 78, insbesondere Kondensatoren, an der Außenfläche 76 befestigt werden können. Über die Energiespeicher 78 werden, wie im Nachfolgenden noch näher erläutert wird, die elektrischen Aktuatoren der Ventile mit Energie versorgt. Die Anordnung der Energiespeicher 78 an der Außenfläche 76 des Grundkörpers hat den Vorteil, dass diese durch das Spritzmittel, welches sich im Hohlkörper 68 befindet und gefördert wird, kontinuierlich gekühlt werden. Da das Spritzmittel in großen Mengen mitgeführt wird, erhitzt sich dieses in der Regel nicht so schnell, so dass auch im längeren Betrieb das Spritzmittel den Zentralkörper 60 kühlt. Durch das Kühlen der Energiespeicher 78 wird deren Lebenserwartung deutlich erhöht.
Die 8 bis 10 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Elektronik zum Ansteuern der Ventile sowie zum Laden der Energiespeicher. Gleiche Teile werden mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und im Folgenden nur im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel für alle Ausführungsbeispiele näher erläutert.
8 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Elektronik, wie sie in der erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe Anwendung finden kann. Die Elektronik gemäß diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet eine aktive Energiesteuerung.
Die Elektronik umfasst einen Mikrocontroller 80, der einer Steuer- und Auswerteeinheit im Sinne der vorliegenden Erfindung entspricht. Der Mikrocontroller 80 kann ein handelsüblicher Mikrocontroller sein, eine CPU, ein ASIC oder eine ähnliche vorzugsweise programmierbare Steuereinheit. Über eine erste Schnittstelle 82 ist der Mikrocontroller ausgebildet mit einer Busschnittstelle 84 zu kommunizieren. Die Busschnittstelle 84 ist vorzugsweise ein integrierter Halbleiterbaustein, welcher ein handelsübliches Busprotokoll implementiert. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen CAN-Bus, d.h. einem seriellen Bussystem, welches zu der Gruppe der Feldbusse gehört. Über die Busschnittstelle 84 sendet und empfängt der Mikrocontroller 80 Daten einer übergeordneten Steuereinheit (hier nicht dargestellt). Vorzugsweise sind über den CAN-Bus mehrere Ventilbaugruppen mit der übergeordneten Steuereinheit verbunden, um zusammen ein Steuersystem eines Spritzgeräts zu bilden.
Über eine zweite Schnittstelle 86 ist der Mikrocontroller 80 mit einem Speicher 81 verbunden, insbesondere einem nicht flüchtigen elektronischen Speicher, in dem ein Steuerprogramm oder Daten des Mikrocontrollers 80 hinterlegt werden können. Bei der zweiten Schnittstelle 86 handelt es sich vorzugsweise um eine I²C-Schnittstelle. Ferner können über die zweite Schnittstelle 86 weitere Mikrocontroller mit dem Mikrocontroller 80 gekoppelt werden, wie im Folgenden noch näher erläutert wird.
Über eine dritte Schnittstelle 88 werden die elektrischen Aktuatoren angesteuert, die hier in Form von zwei Schrittmotoren 90 angedeutet sind. Jeder Schrittmotor 90 weist hierzu eine eigene Schnittmotorsteuereinheit 92 auf. Es versteht sich, dass in anderen Ausführungsbeispielen die Schrittmotorsteuerung auch im Mikrocontroller 80 integriert sein kann. Neben der Ansteuerung der Schrittmotorsteuerung 92 erhält der Mikrocontroller auch Feedback von der Schrittmotorsteuerung 92 bezüglich der aktuellen Position des Schrittmotors 90. Die Schrittmotoren beeinflussen eine Ventilstellung, indem sie wie zuvor beschrieben Ventilstößel vor und zurückbewegen und so eine Durchflussmenge durch den ersten Gehäuseteil hin zu den Düsenanschlüssen regulieren.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Schrittmotoren 90 angedeutet, die von dem Mikrocontroller 80 gesteuert werden. Darüber hinaus sind andere Konstellationen denkbar, beispielsweise dass mehr als zwei Schrittmotoren von einem Controller angesteuert werden oder aber dass weitere Schrittmotoren über einen weiteren Mikrocontroller gesteuert werden, der über die zweite Schnittstelle 86 mit dem ersten Controller 80 verbunden ist. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Schaltungen realisieren, mit denen Ventilbaugruppen mit zwei oder mehreren Ventilen realisiert werden können. Der weitere Mikrocontroller 93 agiert dann vorzugweise als Slave und ist dem Mikrocontroller 80 untergeordnet. Durch einen weiteren Mikrocontroller 93 kann vorteilhaft der begrenzte Bauraum optimal genutzt werden, indem die Elektronik zum Ansteuern weiterer Ventile auf eine oder mehrere separate Platinen ausgelagert werden kann. Durch die Master/Slave-Kombination kann die Steuerung der einzelnen Ventile weiterhin von der zentralen Mastereinheit, also hier von dem Mikrocontroller 80, vorgenommen werden.
Über eine vierte Schnittstelle 94 ist der Mikrocontroller 80 darüber hinaus mit einem oder mehreren Sensoren 96 verbunden, die dazu eingerichtet sind, die aktuelle Ventilstellung zu bestimmen, indem sie die Position des Ventilstößels innerhalb des Ventils ermitteln. Die Positionssensoren können Hall- oder GMR-Sensoren sein. Vorzugsweise ist, wie hier dargestellt, für jeden Schrittmotor und somit für jeden Ventilstößel ein Positionssensor 96 vorgesehen. Die vierte Schnittstelle ist vorzugsweise ebenfalls eine I²C-Schnittstelle und kann beispielsweise mit der zweiten Schnittstelle 86 kombiniert werden.
Die Busschnittstelle 84, die Positionssensoren 96 sowie der Mikrocontroller 80 sind jeweils mit einer Betriebsspannung 97 gekoppelt. Die Betriebsspannung wird von einem ersten Spannungsregler 98 bereitgestellt, der eingangsseitig über einen Versorgungsanschluss 100 mit der Spannungsversorgung der Landmaschine gekoppelt ist. Bei dem ersten Spannungsregler 98 handelt es sich vorzugsweise um einen Low-Drop-Spannungsregler, LDO, der mit einer geringen minimalen vorliegenden Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung eine stabile Betriebsspannung erzeugt. Üblicherweise ist die Spannung am Versorgungsanschluss zwischen 11,5 und 13,5 Volt und die geregelte Spannung 3,3 Volt, 5 Volt oder 12 Volt.
Die Elektronik umfasst ferner einen zweiten Spannungsregler 99. Der zweite Spannungsregler 99 ist ein Gleichspannungswandler, insbesondere ein Aufwärtswandler, dessen Eingangsspannung niedriger ist als dessen Ausgangsspannung. Mit anderen Worten erhöht der Aufwärtswandler die anliegende Spannung hin zu einer höheren Spannung.
Der zweite Spannungsregler 99 ist in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel zwischen dem Energiespeicher 78 und den Schrittmotoren 90 bzw. deren Steuerungen 92 angeordnet. Der zweite Spannungsregler 99 erhöht somit die Spannung mit der die Schrittmotoren 90 betrieben werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erhöht der zweite Spannungsregler 99 eine Spannung von 11,5 bis 13,5 Volt, also die Spannung, die am Versorgungsanschluss 100 anliegt und auf welche der Energiespeicher 78 geladen wird, auf 24 Volt. Durch die höhere Spannung schalten die Schrittmotoren 90 schneller, wodurch das Schalten der Ventile vorteilhaft beschleunigt werden kann. Durch eine Verdoppelung der Spannung kann im Wesentlichen eine Halbierung der Schaltzeit erreicht werden.
Den zweiten wesentlichen Bestandteil der Elektronik der neuen erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe bildet eine Ladeschaltung 102. Die Ladeschaltung ist hier durch den gestrichelten Kasten zusammengefasst.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 8 weist die Ladeschaltung 102 eine aktive Energiesteuerung 104 auf. Die aktive Energiesteuerung 104 ist einerseits mit dem Versorgungsanschluss 100 gekoppelt und andererseits mit dem Energiespeicher 78. Der Energiespeicher 78 umfasst hier fünf in Serie geschaltete Kondensatoren 106, welche die notwendige Energie bereitstellen, um die Schrittmotoren 90 zu betreiben.
Die aktive Energiesteuerung 104 ist vorzugsweise eine integrierte Schaltung, die das Aufladen des Energiespeichers 78 überwacht, indem sie die Ladezustände der einzelnen Kondensatoren 106 misst und basierend darauf den Ladevorgang der einzelnen Kondensatoren 106 anpasst. Eine aktive Energiesteuerung 104 kann ein optimales Aufladen des Energiespeichers 78 gewährleisten. Zudem kann der Ladevorgang vom Mikrocontroller 80 beeinflusst werden, um so einen für das System vorteilhaften Ladevorgang zu ermöglichen. Hierzu weist der Mikrocontroller zusätzlich eine erste und eine zweite Messeinrichtung 108, 110 auf, die über eine erste und eine zweite Messschaltung 112, 114 die Spannung am Versorgungsanschluss 100 sowie die Spannung am Energiespeicher 78 bestimmen kann. Die Messeinrichtungen 108, 119 können bspw. Analog/Digital-Konverter sein und die Messschaltungen 112, 114 einfache Spannungsteiler.
Über eine weitere Schnittstelle 116 kann der Mikrocontroller 80 Einfluss auf den Ladevorgang der aktiven Energiesteuerung 104 nehmen. Der Mikrocontroller 80 ist so in die Lage versetzt, den Ladevorgang der Energiespeicher 78 optimal zu steuern.
9 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel in der Elektronik der neuen Ventilbaugruppe. Das Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 8, allerdings weist die Ladeschaltung 102 hier eine passive Energiesteuerung 118 auf. Im Gegensatz zur aktiven Energiesteuerung 104 erfolgt hier die Strombegrenzung zweckmäßig mittels Pulsweitenmodulation (PWM), d.h. unter Einsatz eines Feldeffekttransistors (FET) 120 und einer Speicherdrossel 122. Mit der passiven Energiesteuerung 118 kann im Wesentlichen der gleiche vorteilhafte Effekt erreicht werden, wie mit einer aktiven Energiesteuerung, allerdings stehen die zusätzlichen Funktionen, die die integrierte Schaltung der aktiven Energiesteuerung 104 bereitstellt, in dieser Ausführungsvarianten nicht zur Verfügung. Dafür ist die passive Energiesteuerung 118 jedoch um ein Vielfaches kostengünstiger gegenüber einer Realisierung mit einer aktiven Energiesteuerung 102 und damit besser geeignet für die Serienproduktion.
10 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Elektronik einer neuen Ventilbaugruppe ebenfalls mit einer passiven Energiesteuerung 118. Da beim Ausführungsbeispiel gemäß 9 die Speicherdrossel 122 viel Bauraum einnimmt und eine alternative Ausgestaltung mit einem Low-Drop-Schaltregler zu hohen Energieverlusten der Ladeschaltung führt, ist im Ausführungsbeispiel gemäß 10 die passive Energiesteuerung 118 durch einen sogenannten „single ended primary inductance converter“, SEPIC, realisiert. Ein SEPIC-Spannungsregler weist zwar auch zwei Induktivitäten auf, diese sind aber kleiner als die Speicherdrossel 122 und benötigen somit weniger Bauraum. Eine Realisierung mit einem SEPIC hat sich als bevorzugte Zwischenlösung zwischen einer einfachen passiven Energiesteuerung und der teuren aktiven Energiesteuerung herausgestellt.
Alle Ladeschaltungen gemäß der 8 bis 10 können im Zusammenspiel mit dem Mikrocontroller 80 als Steuer- und Auswerteeinheit einen Ladevorgang des Energiespeichers 78 so steuern, dass eine Ladezeit und ein Ladungsaufbau des Energiespeichers 78 zueinander linear sind. Alle Ausführungsbeispiele gemäß der 8 bis 10 sind somit geeignet, den erfindungsgemäßen Ladevorgang durchzuführen.
Ferner ist in allen Ausführungsbeispielen die Elektronik der Ventilbaugruppe bevorzugt auf einer Platine angeordnet, wobei die Energiespeicher 78 vorzugsweise hiervon ausgenommen sind, da diese zwecks der Kühlung an anderer Stelle der Ventilbaugruppe angeordnet sind.
Vorteilhafterweise ist die Elektronik einschließlich der Schrittmotoren in einem separaten zweiten Gehäuseteil der Ventilbaugruppe angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Elektronik zum einen vor äußeren Einflüssen sowie vor dem Spritzmittel geschützt ist und zum anderen eine einfache Wartung der Elektronik bzw. ein Austausch dieser möglich ist.
Es versteht sich, dass auch eine andere Aufteilung der Elektronik innerhalb der Ventilbaugruppe denkbar ist. Beispielsweise kann bei einer Ventilbaugruppe mit mehr als zwei Düsenanschlüssen eine weitere Elektronikeinheit vorgesehen sein, die in einem separaten Gehäuse angeordnet ist und die weiteren Ventile für die weiteren Düsenanschlüsse steuert.
Die weitere Elektronik kann vorteilhaft über einen einfachen Bus, wie beispielsweise dem Controller-eigenen I²C-Bus mit dem Mikrocontroller 80 der ersten Elektronik gekoppelt sein. Die weitere Elektronik agiert dann als Slave, während der Mikrocontroller 80 der Master ist. Dies ermöglicht, dass die weitere Elektronik über den Mikrocontroller 80 und dessen CAN-Bus-Schnittstelle 84 auf den übergeordneten Bus zugreifen kann, ohne dass hierfür eine eigene CAN-Bus-Schnittstelle benötigt wird. Damit reicht ein CAN-Anschlusskabel aus, um die Ventilbaugruppe mit einer übergeordneten Steuerung zu verbinden. Der Verkabelungsaufwand kann so deutlich vereinfacht werden. Eine bevorzugte übergeordnete Steuerung wird im Folgenden anhand er 11 näher erläutert.
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Steuereinheit zum Steuern einer Spritzmaschine mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Ventilbaugruppen. Die Steuereinheit 200 ist hier über einen CAN-Bus mit den einzelnen Ventilbaugruppen verbunden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können hierzu weitere Switche 202 notwendig sein, um eine Vielzahl von Ventilbaugruppen ansprechen zu können. Beim CAN-Bus sind zwei Geschwindigkeiten bekannt, CAN-Highspeed (HS) und CAN-Lowspeed (LS). Die Kommunikation auf der Ebene der Steuereinheit und zu den Switches erfolgt in HS. Die Kommunikation zu den Ventilbaugruppen erfolgt in LS.
Die Steuereinheit 200 ist dazu ausgebildet, die Ladezustände der Energiespeicher der Vielzahl von Ventilbaugruppen über den CAN-Bus zu bestimmen und einen Ladevorgang der Energiespeicher in Abhängigkeit der Ladezustände zu steuern. Das heißt die Steuereinheit 200 kann anhand der Ladezustände eine Priorisierung der Energiespeicher vornehmen und diese Priorisierung an die Ventilbaugruppen übermitteln.
Die Ventilbaugruppen sind eigenständig und können anhand der Priorisierung den jeweiligen Ladevorgang ihrer Energiespeicher steuern. Neben einer Priorisierung anhand der Ladezustände kann die Steuereinheit 200 eine zusätzliche Priorisierung auch anhand einer zu erwartenden Ventilaktivität vornehmen. Die zu erwartende Ventilaktivität kann von einem Leitrechner 204 ermittelt und bereitgestellt werden. Die Ermittlung erfolgt üblicherweise anhand sogenannter Feldkarten, auf denen für jede Position die gewünschte Menge an Spritzmittel vorgegeben ist, so dass daraus und anhand der aktuellen Position abgeleitet werden kann, wie die Ventile zeitlich geschaltet werden müssen. Vorteilhaft kann so der Ladevorgang der Energiespeicher von weiteren nicht physikalischen Parametern beeinflusst werden. Die Energiespeicher können so weiter geschont werden, wodurch sich ihre Lebenserwartung vorteilhaft erhöht.
Die Steuereinheit 200 arbeitet in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als CAN-Bus-Master und pollt in regelmäßigen Abständen die Ventilbaugruppen, die die Slaves in diesem Master-Slave-Verbund bilden. Per se ist CAN kein Master-Slave-System, es ist jedoch vorteilhaft, wenn alle Aktionen von einer zentralen Steuereinheit 200 bestimmt werden. Im Fehlerfall kann die Steuereinheit alleine den Zustand der Anlage analysieren und entsprechende Maßnahmen ergreifen.
Die Slaves, d.h. die Ventilbaugruppen bzw. deren integrierte Steuer- und Auswerteeinheiten, verharren zunächst in einem Wartezustand. Die Steuereinheit fragt die Slaves in Reihenfolge der in seinem Verzeichnis hinterlegten Knotenadressen ab und vergleicht diese auf Vollständigkeit. Bei einer Datenrate von 125 kBaud kann dies bis zu 100 Millisekunden pro Slave dauern. In dieser Zeit überprüfen die Slaves, ob sie tatsächlich in Grundstellung sind. Danach erteilt die Steuereinheit eine bestimmte Anzahl von Slaves die Erlaubnis zum Aufladen der Energiespeicher. Zum Arbeitsbeginn sollten die Energiespeicher für alle Ventile zu 80 bis 90 % geladen sein. Bei 60 angeschlossenen Ventilbaugruppen und einem zulässigen Gesamtladestrom von 20 Ampere dauert der Ladevorgang beispielsweise 30 Sekunden.
Unter ungünstigen Bedingungen kann es im Betrieb vorkommen, dass der kritische Pegel, d.h. der Energiezustand, in dem gerade noch die Ventile sicher abgeschaltet werden können, in einzelnen Ventilbaugruppen erreicht wird. In dieser Situation wird auf eine empfohlene Düsenumschaltung verzichtet zugunsten der Absicherung der Failsafe-Schaltung. Die Steuereinheit erkennt diese Situation und gibt beispielsweise eine Fahrempfehlung an den Fahrer, langsamer zu fahren. Mit anderen Worten ist die Steuereinheit 200 dazu ausgebildet, anhand der Ladezustände eine Änderung einer vorberechneten Ventilaktivität zu bestimmen und die Änderung an einen Leitrechner 204 zu melden.
Darüber hinaus wird während jedem Öffnen-/Schließvorgang eines Ventils der Steuereinheit 200 ein Positionssignal des Ventilstößels übermittelt. Die Steuereinheit 200 kann so durch Laufzeitberechnung und Soll-Ist-Vergleich drohende Verstopfungen bzw. Schwergängigkeiten diagnostizieren und entsprechende Warnhinweise generieren.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird zudem die Temperatur der Energiespeicher und/oder die Temperatur in dem Gehäuseteil, in dem sich die Elektronik samt der Schrittmotoren befindet, erfasst. Die Temperaturwerte werden der Steuereinheit 200 laufend mitgeteilt, so dass die Steuereinheit diese berücksichtigen kann.
Darüber hinaus kann die Steuereinheit auch mit einem Pumpregler 206 gekoppelt sein. Über den Pumpregler 206 kann die Steuereinheit 200 den Druck des Spritzmittels im Spritzgerät anpassen. Damit ist die Steuereinheit 200 in der Lage, einen definierten Sollausstoß von Spritzmitteln einzustellen, indem es eine zu erwartende Ventilaktivität der Vielzahl von Ventilbaugruppen reduziert und eine Druckanpassung vornimmt. Auf diese Weise kann die Ventilaktivität reduziert werden und ein Ladevorgang vorteilhaft verlängert werden bzw. insgesamt verzögert werden.
Sobald ein Ventil nicht mehr gepollt wird, d.h. keine Verbindung zur Steuereinheit 200 mehr besteht, geht die Ventilbaugruppe in eine Failsafe-Stellung über, in der alle Düsen geschlossen sind.
Neben einer optimalen Steuerung der einzelnen Ladevorgänge der Energiespeicher der einzelnen Ventilbaugruppen ermöglicht die neue Steuereinheit 200 somit vielfältige Diagnosemöglichkeiten. Vorteilhafterweise kann die Steuereinheit 200 durch einen Kleinstrechner mit offener Softwarearchitektur, beispielsweise Linux, realisiert werden. Alternativ ist auch eine geschlossene speziell für die Steueraufgaben eingerichtete Softwarelösung denkbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010051580 A1 [0002, 0006]

Claims

Ventilbaugruppe (30) für eine Spritzmaschine (10), insbesondere für Landmaschinen (12) oder selbstfahrende Pflanzenschutzgeräte, umfassend ein erstes Ventil, das eine Durchflussmenge eines Spritzmittels (20) in Abhängigkeit einer Ventilstellung steuern kann, einen ersten elektrisch betriebenen Aktuator (40) zum Einstellen der Ventilstellung, sowie einen Energiespeicher (78), der elektrische Energie zum Betreiben des Aktuators (40) bereitstellt, gekennzeichnet dadurch, dass die Ventilbaugruppe (30) ferner eine Ladeschaltung (102) zum Laden des Energiespeichers (78) sowie eine Steuer- und Auswerteeinheit (80) aufweist, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (80) dazu eingerichtet ist, einen Ladevorgang des Energiespeichers (78) zu steuern, so dass eine Ladezeit und ein Ladungsaufbau des Energiespeichers (78) zueinander linear sind.
Ventilbaugruppe nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Energiespeicher (78) eine Serienschaltung einer Vielzahl von elektrischen Kondensatoren (106) ist.
Ventilbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Ladeschaltung (102) ausgebildet ist, einen Ladestrom zum Energiespeicher (78) zu begrenzen.
Ventilbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Ladeschaltung (102) eine aktive Energiesteuerung (104) aufweist.
Ventilbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Ladeschaltung (102) eine passive Energiesteuerung (118) aufweist.
Ventilbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (80) dazu eingerichtet ist, die Ventilstellung des ersten Ventils zu messen und zu melden.
Ventilbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (80) dazu eingerichtet ist, eine Temperatur an dem Energiespeicher (78) zu bestimmen und zu melden.
Ventilbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (80) dazu eingerichtet ist, den Energiespeicher (78) in Abhängigkeit einer zu erwartenden Ventilaktivität zu laden.
Ventilbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Ventilbaugruppe (30) ferner ein zweites Ventil sowie einen zweiten elektrisch betriebenen Aktuator (48) aufweist, um die Durchflussmenge des Spritzmittels zu steuern, wobei der Energiespeicher (78) dazu ausgebildet ist, Energie zum Betreiben des ersten und des zweiten Aktuators (40, 48) bereitzustellen.
Ventilbaugruppe nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, dass die Ventilbaugruppe eine zweite Steuer- und Auswerteeinheit (80) zum Steuern des zweiten Aktuators (48) aufweist, wobei die zweite Steuer- und Auswerteeinheit (93) der ersten Steuer- und Auswerteeinheit (80) untergeordnet ist.
Ventilbaugruppe nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, dass die erste Steuer- und Auswerteeinheit (80) eine Bus-Schnittstelle (84) zur Kommunikation mit einem Bus aufweist, wobei die zweite Steuer- und Auswerteeinheit (93) über die Bus-Schnittstelle (84) der ersten Steuer- und Auswerteeinheit (80) auf den Bus zugreift.
Ventilbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, dass die Ventilbaugruppe ein Gehäuse mit einem ersten Gehäuseteil und einem von dem ersten getrennten zweiten Gehäuseteil (42) aufweist, wobei durch den ersten Gehäuseteil das Spritzmittel (20) begrenzt durch das erste Ventil gefördert wird und in dem zweiten Gehäuseteil (42) die Steuer- und Auswerteeinheit (80) sowie der erste elektrische Aktuator (40) angeordnet sind.
Ventilbaugruppe nach Anspruch 12, wobei der Energiespeicher (78) zur Kühlung durch das Spritzmittel (20) an einer Wand (76) des ersten Gehäuseteils (38) angeordnet ist.
Ventilbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet dadurch, dass die Ventilbaugruppe in einem Verbund mit weiteren Ventilbaugruppen verwendbar ist, und wobei die Steuer- und Auswerteeinheit 80 dazu eingerichtet ist, ein Signal zu empfangen, welches eine Ladepriorität der Ventilbaugruppe im Verbund repräsentiert, um in Abhängigkeit des Signals den Energiespeicher (78) zu laden.
Steuereinheit (200) zum Steuern einer Spritzmaschine (10) mit einer Vielzahl von Ventilbaugruppen (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (200) dazu eingerichtet ist, die Ladezustände der Energiespeicher (78) der Vielzahl von Ventilbaugruppen zu bestimmen und einen Ladevorgang der Energiespeicher (78) in Abhängigkeit der Ladezustände zu steuern.
Steuereinheit nach Anspruch 15, wobei die Steuereinheit ferner dazu ausgebildet ist, eine Priorisierung der Energiespeicher (78) anhand der Ladezustände vorzunehmen und die Priorisierung an die Ventilbaugruppen zu übermitteln.
Steuereinheit nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei die Steuereinheit ferner dazu ausgebildet ist, eine weitere Priorisierung der Energiespeicher (78) anhand einer zu erwartenden Ventilaktivität vorzunehmen.
Steuereinheit nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, anhand der Ladezustände eine Änderung einer vorberechneten Ventilaktivität zu bestimmen und die Änderung an einen Leitrechner (204) zu melden.
Steuereinheit nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, einen Druck des Spritzmittels (20) anzupassen und einen definierten Sollausstoß von Spritzmitteln (20) einzustellen, indem es eine zu erwartende Ventilaktivität der Vielzahl von Ventilbaugruppen reduziert und eine Druckanpassung vornimmt.
Verfahren zum Betreiben einer Spritzmaschine (10) mit einer Vielzahl von Ventilbaugruppen (30), die je ein erstes Ventil, das eine Durchflussmenge eines Spritzmittels in Abhängigkeit einer Ventilstellung steuern kann, einen ersten elektrisch betriebenen Aktuator zum Einstellen der Ventilstellung sowie einen Energiespeicher, der elektrische Energie zum Betreiben des Aktuators bereitstellt, umfassen, mit den Schritten: - Bereitstellen einer Steuereinheit (200) zum Steuern der Vielzahl von Ventilbaugruppen, - Bestimmen der Ladezustände der Energiespeicher (78) der Vielzahl von Ventilbaugruppen, - Steuern eines Ladevorgangs der Energiespeicher (78) in Abhängigkeit der Ladezustände.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch den Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach Anspruch 20 auszuführen.