DE10342459A1

DE10342459A1 - System zur Wiedergewinnung von Energie in einer hydraulischen Schaltung

Info

Publication number: DE10342459A1
Application number: DE10342459A
Authority: DE
Inventors: Jason L. Peoria Brinkman
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2003-09-15
Publication date: 2004-04-15
Also published as: JP2004156777A; US20040060430A1; US6789387B2

Abstract

Ein Verfahren zur Wiedergewinnung von Energie in einer hydraulischen Schaltung wird vorgesehen. Die hydraulische Schaltung weist eine Pumpe mit einer Taumelplatte auf, die in Strömungsmittelverbindung mit einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung über ein Ventil ist. Das Verfahren weist das Abfühlen eines Zustandes mit überholender Last in der hydraulischen Schaltung auf, weiter die Betätigung des Ventils, um Strömungsmittel von der hydraulischen Betätigungsvorrichtung zur Pumpe in den Zustand mit überholender Last zu pumpen und eine Drehmomentausgabe aus dem Strömungsmittel zu erzeugen, welches zu der Pumpe geliefert wird. Es wird auch ein Verfahren vorgesehen, um Energie in einer hydraulischen Schaltung wieder zu gewinnen, die eine Pumpe und einen Motor aufweist, und zwar in Strömungsmittelverbindung mit einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung über ein Ventil. Das Verfahren weist das Abfühlen eines Zustandes mit überholender Last in der hydraulischen Schaltung auf, die Betätigung des Ventils, um Strömungsmittel von der hydraulischen Betätigungsvorrichtung zum Motor in dem Zustand mit überholender Last zu liefern und eine Drehmomentausgabe aus dem Strömungsmittel zu erzeugen, welches zu dem Motor geliefert wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung ist auf ein System und ein Verfahren zur Wiedergewinnung von Energie in einer hydraulischen Schaltung gerichtet. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein System und auf ein Verfahren zur Wiedergewinnung von Energie in einer hydraulischen Schaltung.
Hintergrund
In einer Maschine, wie beispielsweise bei einem Bagger oder einem Lader kann eine hydraulische Schaltung eine Pumpe mit variabler Verdrängung in Strömungsmittelverbindung mit einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung aufweisen, um eine variable Last zu behandeln. Die Pumpe liefert unter Druck gesetztes Strömungsmittel zu der hydraulischen Betätigungsvorrichtung, wie beispielsweise zu einem Hydraulikzylinder, um die Last anzuheben. Die Betätigungsvorrichtung kann mit einem Werkzeug verbunden sein, wie beispielsweise einer Schaufel.
Wenn die Last abgesenkt wird, wird das unter Druck gesetzte Strömungsmittel in der hydraulischen Betätigungsvorrichtung oft aus der Betätigungsvorrichtung zu einem Reservoir ausgelassen. Es ist Energie beim Auslassen das unter Druck gesetzten Strömungsmittels aus der hydraulischen Betätigungsvorrichtung vorhanden, wenn man die Last abgesenkt. Jedoch haben viele Maschinen keine Mittel zur Wiedergewinnung der Energie, wenn die hydraulische Betätigungsvorrichtung zurückgezogen wird. Typischerweise drosseln diese Maschinen das Strömungsmittel durch ein Ventil, um die Absenkung- oder Rückzugsgeschwindigkeit der Betätigungsvorrichtung zu steuern. Dies hat einen Verlust oder eine Verschwendung von Energie und eine unerwünschte Aufheizung des hydraulischen Strömungsmittels zur Folge.
Die obige Situationen kann beispielsweise auftreten, wenn ein Hydraulikzylinder unter einer überholenden Last betrieben wird. Nachdem ein Hydraulikzylinder ausgefahren worden ist, um die Last anzuheben, kann der Zylinder sich auf Grund seines eigenen Gewichtes zurückziehen. Dies wird oft als Zustand mit überholender Last bezeichnet. Zustände mit überholender Last können leicht während des Betriebs der Maschine beobachtet werden.
Einige Versuche sind unternommen worden, um diese sonst verschwendete Energie in der hydraulischen Schaltung wiederzugewinnen. Beispielsweise offenbart WO 000/00748 ein System, welches Energie wiedergewinnt, in denen es eine zusätzliche Pumpe bzw. einen zusätzlichen Motor mit einer Fähigkeit zur Wirkung über der Mitte (over-center) in der hydraulischen Schaltung vorsieht. Die/der Pumpe/Motor überträgt Strömungsmittel zwischen einer Hubschaltung und einem Akkumulator zur Speicherung von Energie. Jedoch steigert ein solcher Akkumulator die Größe der Maschine. Wenn der Hubzylinder schnell abfällt wird auch eine große Menge an Strömungsmittel schnell aus dem Zylinder ausgelassen. Um das Strömungsmittel aufzunehmen muss die Pumpe/der Motor groß sein. Das offenbarte System erfordert auch eine zusätzliche Ladepumpe und ein Ventil, um strömungsmittelmässig die Pumpe/dem Motor mit dem Hubzylinder zu koppeln. Eine solche Ladepumpe ist nicht energetisch effizient, und die zusätzlichen Komponenten vergrößern die Kosten des Maschinensystems. Das System hat einen weiteren Nachteil dahingehend, dass wenn der Hubzylinder zurückgezogen wird und der Akkumulator auf einem höheren Druck ist, als das Strömungsmittel, welches aus dem Hubzylinder ausgelassen wird, zusätzliche Energie vom Motor erforderlich ist, um die Energie zu speichern, die von dem Hubzylinder kommt.
Somit ist es wünschenswert, ein Energiewiedergewinnungssystem vorzusehen, welches energetisch effektiv ist und kosteneffektiv ist. Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, einen oder mehrere der oben erwähnten Nachteile zu lösen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß eines Aspektes wird ein Verfahren vorgesehen, um Energie in einer hydraulischen Schaltung wiederzugewinnen. Die hydraulische Schaltung weist eine Pumpe mit einer Taumelplatte auf, die in Strömungsmittelverbindung mit einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung über ein Ventil ist. Das Verfahren weist das Abfühlen eines Zustandes mit überholender Last in der hydraulischen Schaltung auf, weiter die Betätigung des Ventils, um Strömungsmittel von der hydraulischen Betätigungsvorrichtung zur Pumpe in dem Zustand mit überholender Last zu liefern, und eine Drehmomentausgangsgrösse aus dem Strömungsmittel zu erzeugen, welches zu der Pumpe geliefert wird.
Gemäß eines weiteren Aspektes wird ein System zur Wiedergewinnung von Energie in einer hydraulischen Schaltung vorgesehen. Das System weist eine Pumpe mit einer Taumelplatte auf, die zu Verkippen ist, um einen Fluss zwischen einem Ventil und einem Reservoir umzuleiten. Eine hydraulische Betätigungsvorrichtung ist in Strömungsmittelverbindung mit der Pumpe über das Ventil und eine Leitung vorgesehen. Das Ventil ist konfiguriert, um Strömungsmittel von der hydraulischen Betätigungsvorrichtung zur Pumpe in einem Zustand mit überholender Last zu liefern. Eine Sensoranordnung ist in Strömungsmittelverbindung mit der hydraulischen Schaltung vorgesehen, und eine Steuereinheit ist elektrisch mit dem Ventil und der Sensoranordnung gekoppelt.
Gemäß eines weiteren Aspektes wird ein Verfahren zur Wiedergewinnung von Energie in einer hydraulischen Schaltung vorgesehen, die eine Pumpe und einen Motor in Strömungsmittelverbindung mit einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung über ein Ventil aufweist. Das Verfahren weist das Abfühlen eines Zustandes mit überholender Last in der hydraulischen Schaltung auf, weiter die Betätigung des Ventils, um Strömungsmittel von der hydraulischen Betätigungsvorrichtung zum Motor in dem Zustand mit überholender Last zu liefern, und eine Erzeugung einer Drehmomentausgangsgrösse aus dem Strömungsmittel, welches zu dem Motor geliefert wird.
Gemäß eines weiteren Aspektes wird ein System zur Wiedergewinnung von Energie in einer hydraulischen Schaltung vorgesehen. Das System weist eine Pumpe und eine hydraulische Betätigungsvorrichtung in Verbindung mit der Pumpe über ein Ventil und eine Leitung auf. Ein Motor ist in Strömungsmittelverbindung mit der hydraulischen Betätigungsvorrichtung über das Ventil vorgesehen. Das Ventil ist konfiguriert, um Strömungsmittel von der hydraulischen Betätigungsvorrichtung zum Motor in einem Zustand mit überholender Last zu liefern. Eine Sensoranordnung ist in Verbindung mit der hydraulischen Schaltung vorgesehen, und eine Steuereinheit ist elektrisch mit dem Ventil und der Sensoranordnung gekoppelt.
Es sei bemerkt, dass sowohl die vorangegangene allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung nur beispielhaft und erklärend sind, und nicht die Erfindung einschränken, wie sie beansprucht wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die beigefügten Zeichnungen, die hiermit eingeschlossen sind und einen Teil dieser Beschreibung bilden, veranschaulichen beispielhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklärung der Prinzipien der Erfindung.
1 ist eine schematische und diagrammartige Darstellung eines Systems zur Wiedergewinnung von Energie gemäß eines beispielhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische und diagrammartige Darstellung eines Systems zur Wiedergewinnung von Energie gemäß eines weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine schematische und diagrammartige Darstellung eines Systems zur Wiedergewinnung von Energie gemäß noch eines weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Teilquerschnittsansicht einer Freilaufkupplungsanordnung in dem System der 3;
5A ist eine grafische Darstellung einer Betätigungsvorrichtungsleistungsausgabe und einer Motorleistungsausgabe während eines simulierten Betriebs einer Arbeitsmaschine; und
5B ist eine grafische Darstellung einer gesamten Energieausgabe einer Leistungsquelle der Maschine in dem simulierten Betrieb der 5A mit dem Energiewiedergewinnungssystem und ohne dieses System gemäß eines Ausführungsbeispiels dieser Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Es wird nun im Detail auf beispielhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung Bezug genommen, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Wo es immer möglich ist, werden die gleichen Bezugszeichen in den gesamten Zeichnungen verwendet, um sich auf gleiche oder ähnliche Teile zu beziehen.
Mit Bezug auf 1 kann ein Energiewiedergewinnungssystem 10 ein Teil eines Baggers, eines Laders oder irgend einer Maschine sein, die ein hydraulisches System einsetzt. Das System 10 weist eine Pumpe 12 auf, die typischerweise von einer Leistungsquelle 14 angetrieben wird, wie beispielsweise von einem Verbrennungsmotor, und zwar über einen Antriebsstrang oder eine Welle 16. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel hat die Pumpe 12 die Fähigkeit der variablen Verdrängung und kann ihre Verdrängung zwischen Positionen mit minimaler und mit maximaler Verdrängung variieren.
Eine Pumpe mit variabler Verdrängung weist im allgemeinen eine Antriebswelle auf, weiter eine drehbare Zylindertrommel mit mehreren Kolbenboh rungen, wobei die Kolben gegen eine zu kippende Taumelplatte gehalten werden, und mit einer Ventilplatte. Wenn die Taumelplatte relativ zur Längsachse der Antriebswelle gekippt wird, bewegen sich die Kolben innerhalb der Kolbenbohrungen hin und her, um eine Pumpwirkung zu erzeugen und das unter Druck gesetzte Strömungsmittel zu einem Auslassanschluss herauszuleiten. Wenn die Taumelplatte in der Mitte positioniert ist und nicht gekippt ist, bewegen sich die Kolben nicht hin und her und die Pumpe erzeugt keinen Auslassdruck.
Einige Pumpen mit variabler Verdrängung haben die Fähigkeit, zu funktionieren, wenn die Taumelplatte in der entgegengesetzten Richtung relativ zur Längsachse der Antriebswelle gekippt ist. Eine solche Position der Taumelplatte wird oft als Position "über der Mitte" bezeichnet. Wenn die Taumelplatte in die Position über der Mitte gekippt ist, fließt das Strömungsmittel aus dem Auslassanschluss in den Einlassanschluss. Bei einem ausreichenden Strömungsmittelfluss und einer ausreichenden Druckdifferenz zwischen dem Auslassanschluss und dem Einlassanschluss bewegen sich die Kolben in der Pumpe innerhalb der Kolbenbohrungen hin und her und erzeugen eine Pumpwirkung. Die Pumpwirkung durch die Kolben dreht die Zylindertrommel und die Antriebswelle, wodurch eine Motordrehmomentausgabe erzeugt wird, wenn der Strömungsmitteldruck am Auslassanschluss höher ist als bei dem Einlassanschluss. Eine Pumpe mit variabler Verdrängung kann daher sowohl als Pumpe als auch als Motor wirken, und zwar abhängig von dem Kippwinkel der Taumelplatte und von der Druckdifferenz zwischen den Einlass- und Auslassanschlüssen.
Die Pumpe 12 weist eine drehbare Zylindertrommel mit einer Vielzahl von (nicht gezeigten) Kolbenbohrungen auf, weiter eine (nicht gezeigte) kippbare Taumelplatte, (nicht gezeigte) Kolben, die gegen die kippbare Taumelplatte gehalten werden, und einen Auslassanschluss 18 und einen Einlassanschluss 19. Die Taumelplatte ist relativ zur Längsachse der Antriebswelle 16 gekippt, und die Kolben bewegen sich innerhalb der Kolbenbohrungen hin und her, um eine Pumpwirkung zu erzeugen. Wenn die Taumelplatte in die normale Position gekippt ist, wirkt die Pumpe 12 als Pumpe. Wenn andererseits die Taumelplatte in die Position über der Mitte gekippt ist, wirkt die Pumpe 12 als Motor mit einer Druckdifferenz zwischen den Auslass- und Einlassanschlüssen 18, 19. Die Pumpe 12 kann auch einen (nicht gezeigten) Taumelplattenwinkelsensor haben, um einen Kippwinkel der Taumelplatte abzufühlen. Die Pumpe 12 kann in Strömungsmittelverbindung mit einem Reservoir 20 durch den Einlassanschluss 19 sein. Der Fachmann kennt die grundlegende Struktur einer Pumpe mit variabler Verdrängung, und die Struktur wird nicht im Detail beschrieben und gezeigt.
Das System 10 weist auch eine hydraulische Betätigungsvorrichtung in Strömungsmittelverbindung mit der Pumpe 20 über eine Leitung 24 und ein Ventil 25 auf. Obwohl die hydraulische Betätigungsvorrichtung in diesem Ausführungsbeispiel ein hydraulischer Zylinder 22 ist, können andere Betätigungsvorrichtungen verwendet werden. In dem in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsbeispiel ist der Hydraulikzylinder 22 ein doppelt wirkenden Zylinder. Der doppelt wirkende Zylinder 22 hat ein Paar von Betätigungskammern, nämlich eine Kopfenden-Betätigungskammer 26 und eine Stangenenden-Betätigungskammer 28. Die Kopfenden-Kammer 26 und die Stangenenden-Kammer 28 werden durch einen Kolben 30 mit einer Kolbenstange 32 getrennt. Der Zylinder 22 kann auch einen (nicht gezeigten) Zylinderpositionssensor aufweisen, um die Position des Kolbens 30 in dem Zylinder 22 abzufühlen.
Während eines Zustandes mit nicht überholender Last wird das unter Druck gesetzte Strömungsmittel von der Pumpe 12 (die als Pumpe wirkt) zum Hydraulikzylinder 22 durch die Leitung 24 geliefert. In einem Zustand mit überholender Last wird das unter Druck gesetzte Strömungsmittel von dem Hydraulikzylinder 22 zur Pumpe 12 durch die Leitung 24 zurückgeleitet.
Das System 10 kann eine Flusssteuerschaltung aufweisen, wie beispielsweise das Ventil 25. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Ventil 25 eine Anordnung eines unabhängigen Zumessventils (IMV- Anordnung). Das unabhängige Zumessventil hat einen Pumpenanschluss 34, einen Reservoiranschluss 35, einen Kopfenden-Zylinderanschluss 36 und einen Stangenenden-Zylinderanschluss 37. Das unabhängige Zumessventil weist auch vier unabhängig betätigbare Ventile 38, 39, 40, 41 auf. Ein erstes unabhängig betätigbares Ventil 38 ist zwischen dem Pumpenanschluss 34 und dem Stangenenden-Zylinderanschluss 37 angeordnet, und ein zweites unabhängig betätigbares Ventil 39 ist zwischen dem Pumpenanschluss 34 und dem Kopfenden-Zylinderanschluss 36 angeordnet. Ein drittes unabhängig betätigbares Ventil 40 ist zwischen dem Reservoiranschluss 35 und dem Stangenenden-Zylinderanschluss 37 angeordnet, und ein viertes unabhängig betätigbares Ventil 41 ist zwischen dem Reservoiranschluss 35 und dem Kopfenden-Zylinderanschluss 36 angeschlossen. Diese unabhängig betätigbaren Ventile können Proportionalventile sein, die einen Strömungsmittelfluss durch die Ventile basierend auf Lastanforderungen variieren können. Jedes der unabhängig betätigbaren Ventile kann durch entsprechende (nicht gezeigte) Elektromagneten basierend auf einen Befehl eines Bedieners gesteuert werden.
Das System 10 kann auch eine Sensoranordnung in Verbindung mit der hydraulischen Schaltung aufweisen. Wie in dem Ausführungsbeispiel der 1 gezeigt, kann die Sensoranordnung eine Vielzahl von Drucksensoren 42 aufweisen, die die Drücke des Hydraulikzylinders 22 und der Leitung 24 überwachen. Die Drucksensoren 52 können die Kopfenden-und Stangenenden-Betätigungskammerdrücke des Hydraulikzylinders 22 und die Drücke in der Leitung 24 überwachen. Während 1 die Sensoren zeigt, die in dem Kopfenden-Zylinderanschluss 36 und in dem Stangenenden-Zylinderanschluss 37 des unabhängigen Zumessventils und in der Leitung 24 nahe der Pumpe 12 gelegen sind, ist die Anordnung der Sensoren 42 nicht auf diese spezielle Anordnung eingeschränkt. Die Sensoren 42 können an irgend einer Stelle angeordnet werden, die geeignet ist, um einen erwünschten Zustand der Betätigungsvorrichtung zu überwachen. Der Fachmann wird erkennen, dass irgend eine Sensoranordnung verwendet werden könnte, die einen erwünschten Zustand der Betätigungsvorrichtung überprü fen bzw. sicherstellen kann.
In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel weist das System 10 eine Steuereinheit 44 auf, die elektrisch mit den Ventilen und mit der Sensoranordnung gekoppelt ist (wobei die Verbindung zwischen der Steuereinheit und den Ventilen in 1 nicht gezeigt ist). Die Steuereinheit 44 kann auch mit der Pumpe 12 und mit der Leistungsquelle 14 gekoppelt sein. Die Steuereinheit 44 nimmt einen Bedienerbefehl durch einen Betätigungshebel 46 auf. Die Steuereinheit 44 kann elektrisch mit Elektromagneten und Sensoren verbunden sein, die die Drucksensoren 42 und andere Sensoren mit einschließen, um den Betrieb des Systems 10 zu steuern. Basierend auf dem Betriebsbefehl und dem überwachten Druck des Hydraulikzylinders 22 kann die Steuereinheit 44 bestimmen, ob die hydraulische Schaltung in dem Zustand mit überholender Last arbeitet.
Wie in 1 veranschaulichte kann das System 10 auch ein Rückschlagventil 48 in Strömungsmittelverbindung mit der Leitung 24 und dem Reservoir 20 aufweisen, um Strömungsmittel von dem Reservoir 20 zur Leitung 24 zu liefern, wenn der Strömungsmitteldruck in der Leitung 24 geringer als der Druck des Reservoirs ist. Das Rückschlagventil 48 leitet jedoch nicht das Strömungsmittel von der Leitung 24 zum Reservoir 20.
Das System 10 kann auch ein Entlastungsventil 50 als Sicherheitsvorrichtung aufweisen. Wenn der Druck in der Leitung 24 auf ein unerwünscht hohes Niveau ansteigt, kann das Entlastungsventil 50 sich öffnen, um Strömungsmittel in der Leitung 24 zum Reservoir 20 auszulassen, um ein Versagen des Systems zu vermeiden.
2 ist eine schematische Darstellung einer Maschine mit einem System zur Wiedergewinnung von Energie gemäß eines weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiels der Erfindung. Das System 100, welches in 2 veranschaulicht ist, weist ähnliche Elemente auf, wie für das System 10 in 1 beschrieben wurden. Das System 100 weist den hydraulischen Zylin der 22 in Strömungsmittelverbindung mit der Pumpe 12 über die Leitung 24 und ein erstes Ventil 102 und ein zweites Ventil 103 auf. In diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist das erste Ventil 102 ein Proportionalelektromagnetventil mit ersten und zweiten Ventilpositionen 104, 106. In der ersten Ventilposition 104 sieht das erste Ventil 102 einen unabhängigen Strömungsmittelflusspfad für sowohl die Kopfenden-Betätigungskammer als auch die Stangenenden-Betätigungskammer 26, 28 des Hydraulikzylinders 22 vor. Andererseits sieht das erste Ventil 102 einen kombinierten Strömungsmittelflusspfad für die Kopfenden- und Stangenenden- Betätigungskammern 26, 28 in der zweiten Ventilposition 106 vor. Die Ventilpositionen können durch einen Elektromagneten 108 umgeschaltet werden, der elektrisch mit der Steuereinheit 44 gekoppelt ist.
Das zweite Ventil 103 kann ein Proportionalelektromagnetventil mit ersten, zweiten und dritten Ventilpositionen 110 bzw. 112 bzw. 114 sein. In der ersten Ventilposition 110 kann das zweite Ventil 103 unabhängige Pfade für jeweils Kopfenden-und Stangenenden-Betätigungskammer 26 bzw. 28 vorsehen. In der zweiten Ventilposition 112 sieht das zweite Ventil 103 einen einzigen Strömungsmittelpfad vor. In der dritten Position 114 sieht das zweite Ventil 103 unabhängige Pfade zu sowohl der Kopfenden-Betätigungskammer als auch zur Stangenenden-Betätigungskammer 26, 28 vor, die entgegengesetzt zur ersten Ventilposition 110 sind. Die erwünschte Ventilposition des zweiten Ventil 103 kann ausgewählt werden durch Betätigung eines Elektromagneten 116, der elektrisch mit der Steuereinheit 44 gekoppelt ist.
Das System 100 kann auch ein Versorgungsventil 118 in Strömungsmittelverbindung mit der Leitung 24 und dem Akkumulator 120 vorsehen. Das Versorgungsventil 118 kann ein Proporfionalventil mit ersten und zweiten Ventilpositionen 122, 124 sein. In der ersten Ventilposition 122 gestattet das Versorgungsventil 118, dass Strömungsmittel von der Leitung 24 zum Akkumulator 120 geliefert wird. Die zweite Ventilposition 124 kann mit einem Rückschlagventil vorgesehen werden, und in der zweiten Ventilposition 124 kann das Versorgungsventil 118 dass Strömungsmittel in dem Akkumulator 120 zur Leitung 24 jedoch nicht von der Leitung 24 zum Akkumulator 120 liefern. Das Versorgungsventil 118 kann einen Elektromagneten 126 haben, der elektrisch mit der Steuereinheit 44 gekoppelt ist, um seine Ventilpositionen umzuschalten.
Die Sensoranordnung der 2 kann einen weiteren Drucksensor 42 aufweisen, der benachbart zu dem Akkumulator 120 angeordnet ist, um den Druck des Strömungsmittels zu überwachen, welches in dem Akkumulator 120 gespeichert ist. Der Drucksensor 42 kann elektrisch mit der Steuereinheit 44 gekoppelt sein.
3 ist eine schematische Darstellung einer Maschine mit einem System zur Wiedergewinnung von Energie gemäß eines weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiels der Erfindung. Das System 200 weist eine Pumpe 202 auf, weiter einen hydraulischen Zylinder 22 in Strömungsmittelverbindung mit der Pumpe 202 über ein erstes Ventil 102, ein zweites Ventil 103 und eine Leitung 24. In diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist die Pumpe 202 eine Pumpe mit variabler Verdrängung, die von einer Leistungsquelle 14 über eine Antriebswelle 16 angetrieben wird.
Wie in 3 gezeigt weist das System 200 einen Motor 204 in Strömungsmittelverbindung mit dem Hydraulikzylinder 22 über das erste Ventil 102 auf. Der Motor 204 kann ein Motor mit variabler Verdrängung sein, der konfiguriert ist, um mit der Leistungsquelle 14 über die Welle 16 oder eine andere Welle gekoppelt zu werden. In dem in 3 gezeigten beispielhaften Ausführungsbeispiel ist der Motor 204 so konfiguriert, dass er mit der Leistungsquelle 14 über eine Freilaufkupplung 206 gekoppelt wird.
4 veranschaulicht teilweise die Querschnittsansicht der Freilaufkupplung 206 im Detail. Die Freilaufkupplung 206 kann ein erstes drehbares Kupplungselement 208 aufweisen, welches mit der Leistungsquelle 14 gekoppelt ist, ein zweites drehbares Kupplungselement 210, welches mit dem Motor 204 gekoppelt ist, und ein Gehäuse 212. Wie in 4 gezeigt hat das erste drehbare Kupplungselement 208 eine Vielzahl von Ausnehmungen 214 auf der Oberseite, die zum zweiten drehbaren Kupplungselement 210 hinweist. Jede der Ausnehmungen 214 hat eine Trapezform mit unterschiedlichen Seitentiefen. Ein Lager 216 und eine Feder 218, die das Lager 216 vorspannt, sind in jeder der Ausnehmungen 214 vorgesehen. Die ersten und zweiten drehbaren Kupplungselemente 208, 210, die in Eingriff zu bringen sind, wenn das zweite drehbare Kupplungselement 210 versucht sich in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn schneller zu drehen (wie in 4 gezeigt), als das erste drehbare Kupplungselement 208, wodurch das erste Element angetrieben wird. Andererseits kommen die ersten und zweiten drehbaren Kupplungsglieder 208, 210 außer Eingriff, wenn das zweite drehbare Kupplungselement 210 sich langsamer in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn dreht (wie in Figur vier gezeigt), als das erste drehbare Kupplungselement 208.
Industrielle Anwendbarkeit
5A veranschaulicht grafisch eine Betätigungsvorrichtungsleistungsausgabe und eine Motorleistungsausgabe in Kilowatt mit Bezug auf die Zeit während eines simulierten Betriebs einer Maschine, wie beispielsweise eines Laders. Die Betätigungsvorrichtungsleistungsausgabe wird als Kurve 501 aufgezeichnet, und die Motorleistungsausgabe wird als Kurve 502 aufgezeichnet. Wenn die Kurve 501, die Betätigungsvorrichtungsleistungsausgabe, positiv ist, wird Energie zu der Betätigungsvorrichtung geliefert. Wenn die Kurve 501 negativ ist, tritt ein Zustand mit überholender Last auf, und Energie kommt zurück in das System von der Betätigungsvorrichtung. Die Kurve 502 ist immer negativ, um anzuzeigen, dass der Motor immer Leistung während des Betriebs ausgeübt. Wie in 5A gezeigt, gibt der Motor weiter Leistung an andere Systeme aus, wie beispielsweise an einen Antriebsstrang in der Maschine, auch wenn die Betätigungsvorrichtungsleistungsausgabe in dem Zustand mit überholender Last ist.
Wie in 5A gezeigt kann auch die wiederzugewinnende Leistung typi scherweise kleiner sein als die Leistungsausgabe, die der Motor in das System liefert. Somit kann die wiederzugewinnende Leistung nicht in dem System gespeichert werden müssen, um die Energieausnutzung der Maschine zu steigern. Die Energie kann in das System von einer Betätigungsvorrichtung kommen und kann zu dem Motor geleitet werden, der Energie in das System liefert.
5B veranschaulicht eine gesamte simulierte Energieausgabe der Leistungsquelle in kJ mit einem Energiewiedergewinnungssystem gemäß eines Ausführungsbeispiels dieser Erfindung und ohne ein solches System. Eine Kurve 503 veranschaulicht die simulierte gesamte Energieausgabe ohne das Energiewiedergewinnungssystem. Wie in der Kurve 503 gezeigt erfordert dieser Betriebsvorgang die gesamte Energie von ungefähr –1200 kJ für diesen Betrieb. Eine Kurve 504 zeigt die simulierte gesamte Energieausgabe mit einem Energiewiedergewinnungssystem. Wie in der Kurve 504 gezeigt ist die gesamte Energieausgabe mit dem Energiewiedergewinnungssystem ungefähr –1050 kJ, was ungefähr 12% mehr Energiewirkungsgrad zur Folge hat. In dem Zustand mit überholender Last wird die Kurve 504 im wesentlichen gerade bzw. bündig, wenn die Energie von der Betätigungsvorrichtung wiedergewonnen wird. Wenn Energie in dem Zustand mit überholender Last wiedergewonnen wird, kann die Leistung, die von der Leistungsquelle geliefert wird, reduziert werden oder kann nicht erforderlich sein, und die gesamte Leistungsausgabe kann sich nicht verändern, wie durch den Teil der Kurve in 5A gezeigt wird, der im wesentlichen gerade auf einem Niveau verläuft. Nachdem wir im allgemeinen die Energieausnutzungen besprochen haben, die durch die offenbarten Energiewiedergewinnungssysteme erreicht werden, wird nun der Betrieb von jedem der drei offenbarten Ausführungsbeispiele besprochen.
Mit Bezug auf 1 fühlt die Steuereinheit 44 einen Zustand mit überholender Last in der hydraulischen Schaltung basierend auf den Kräften der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 22 ab, die von den Drucksensoren 42 und dem Betriebsbefehl der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen überwacht wird. Wenn beispielsweise die Kraft in der Kopfenden-Betätigungskammer 26 höher ist als die Kraft in der Stangenenden-Betätigungskammer 28, und wenn der Kolben 30 angewiesen wird, auszufahren, fühlt die Steuereinheit 44, dass das System dahingehend arbeitet, dass es die Last anhebt. Wenn andererseits die Kraft in der Kopfenden-Betätigungskammer 26 höher ist, als die Kraft in der Stangenenden-Betätigungskammer 28, und der Kolben angewiesen wird, sich zurückzuziehen, dann arbeitet das System in dem Zustand mit überholender Last.
In dem System 10, welches das in 1 gezeigte unabhängige Zumessventil hat, öffnet sich das zweite unabhängig betätigbare Ventil 39, um die Last in dem Zustand mit nicht überholender Last anzuheben, um die Pumpe 12 und die Kopfenden-Betätigungskammer 26 des Zylinders 22 in Strömungsmittelverbindung zu bringen, und das dritte unabhängig betätigbare Ventil 40 öffnet sich, um die Stangenenden-Betätigungskammer 28 des Zylinders 22 und das Reservoir 20 in Strömungsmittelverbindung zu bringen.
Die Leistungsquelle liefert Drehmoment und Drehzahl an die Pumpe 12. Die Taumelplatte der Pumpe 12 ist in eine Position nicht über der Mitte eingestellt, und die Pumpe 12 wirkt als eine Pumpe, die den Fluss vom Einlassanschluss 19 zum Auslassanschluss 18 leitet. Die Verdrängung der Pumpe kann eingestellt werden, um die erwünschte Zylindergeschwindigkeit zu erfüllen.
Wenn das System einen Zustand mit überholender Last abfühlt, arbeitet das System 10 in einem Energiewiedergewinnungszustand. Sobald bestimmt wird, dass die Last überholt, werden die ersten und zweiten unabhängig betätigbaren Ventile 38, 39 vollständig geöffnet, und die dritten und vierten unabhängig betätigbaren Ventile 40, 41 werden vollständig geschlossen. Das Ventil 25 wird nun betätigt, um das Strömungsmittel von dem Hydraulikzylinder 22 zur Pumpe 12 in dem Zustand mit überholender Last zu liefern. Das Öffnen der ersten und zweiten unabhängig betätigbaren Ventile 38, 39 wandelt den Zylinder 22 in einem Druckverstärker um, was einen höheren Druck zwischen der Pumpe 12 und dem Ventil 25 zur Folge hat. Diese Druckverstärkung verringert auch die Strömungsmitelfluss- rate von dem Ventil 25 zur Pumpe 12, und der Kolben 30 kann mit einer erwünschten Geschwindigkeit zurückgezogen werden.
Wenn der Zustand mit überholender Last abgefühlt wird, wird die Taumelplatte der Pumpe 12 in die Position über der Mitte gekippt, um den Fluss vom Auslassanschluss 18 zum Einlassanschluss 19 zu leiten. Diese Schwenkbewegung der Taumelplatte kann durch die Steuereinheit 44 gesteuert werden. Der verstärkte Strömungsmitteldruck vom Zylinder 22 treibt den Motor an und erzeugt eine Drehmomentausgabe aus dem Motor. Die Drehmomentausgabe wird dann zu der Leistungsquelle geliefert und kann verwendet werden, um andere Systeme in der Maschine anzutreiben, wie beispielsweise ein Getriebe, einen Generator, Ventilatoren usw. Die Leistungsquelle 14 kann elektronisch angewiesen werden, die Ausgangsgrösse zusteuern. Mit der Drehmomentausgangsgrösse, die von dem Motor im Energiewiedergewinnungszustand geliefert wird, kann die Leistungsquelle gesteuert werden, um den Wirkungsgrad beispielsweise durch Reduzierung des Brennstoffverbrauches zu optimieren.
Die Geschwindigkeit der Kolbenbewegung in dem Hydraulikzylinder 22 ist eine Funktion der Motorverdrängung, der Motordrehzahl und der Zylinderflächen. Um somit den Kolben 30 anzuhalten kann die Taumelplatte der Pumpe 12 zurück zu einem neutralen Winkel oder einem kleinen Pumpwinkel geschwenkt werden, und die ersten und zweiten unabhängig betätigbaren Ventile 38, 39 können geschlossen werden.
Wenn der Zustand mit überholender Last zu einem abrupten Stopp kommt, und wenn die Taumelplatte der Pumpe 12 immer noch auf der Position über der Mitte angeordnet ist, kann ein System möglicherweise versagen. Wenn der Kolben 30 des Zylinders 22 zu einem abrupten Stopp kommt, wird nicht weiter Strömungsmittel vom Zylinder 22 zur Pumpe 12 geliefert. Wenn jedoch die Leistungsquelle 14 weiter die Pumpe 12 dreht, die über der Mitte angeordnet bzw. eingestellt ist, kann nicht ausreichend Strömungsmittel zum Auslassanschluss 18 geliefert werden. Diese Situation kann beispielsweise auftreten, wenn eine Schaufel eines Radladers oder eines Baggers abgesenkt wird und auf den Boden schlägt.
Um dieses Problem zu verringern liefert das in 1 gezeigte System 10 Strömungsmittel zu der hydraulischen Schaltung, wenn der Strömungsmitteldruck in der hydraulischen Schaltung einen Strömungsmittelversorgungsdruck erreicht. Wenn der Zylinder 22 abrupt stoppt und der Mangel an Strömungsmittel in der Pumpe 12 einen Druckabfall in der Leitung 24 zur Folge hat, so dass ein Strömungsmittelversorgungsdruck erreicht wird, öffnet sich das Rückschlagventil 38, und das Strömungsmittel vom Reservoir 20 kann zur Leitung 24 geliefert werden. Gleichzeitig kann die Steuereinheit 44 diesen Druckabfall abfühlen und die Taumelplatte der Pumpe 12 derart steuern, dass sie zurück in die Position nicht über der Mitte schwenkt. Das vierte unabhängig betätigbare Ventil 41 kann verwendet werden, um den Zylinder 22 zu steuern, wenn die Taumelplatte der Pumpe 12 zurück schwenkt.
In dem weiteren in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann das System 100 das Strömungsmittel von der hydraulischen Schaltung in dem Akkumulator 120 sammeln, bevor es das Strömungsmittel in die hydraulische Schaltung liefert. Während des normalen Betriebes oder des Betriebs ohne Energiewiedergewinnung wird das Versorgungsventil 118 in die erste Ventilposition 122 eingebracht, um das Strömungsmittel von der Leitung 24 zum Akkumulator 120 aufzunehmen. Wenn der Strömungsmitteldruck im Akkumulator 120 einen erwünschten Druck erreicht, wird das Versorgungsventil 118 in die zweite Ventilposition 124 bewegt, und der Strömungsmitteldruck in dem Akkumulator 120 wird auf einem gewissen Druck gehalten. Wenn der Strömungsmitteldruck in der Leitung 24 auf den Strömungsmittelversorgungsdruck abfällt, öffnet sich das Rückschlagventil in der zweiten Ventilposition 124, um das Strömungsmittel vom Akkumulator 120 zur Leitung 24 zu liefern, bis die Taumelplatte der Pumpe 12 zurück zur normalen Position schwenkt.
In den in den 2 und 3 gezeigten beispielhaften Ausführungsbeispielen wird das erste Ventil 102 während des normalen Betriebes in die erste Ventilposition 104 gebracht. Um den Kolben 30 stationär zuhalten wird das zweite Ventil 103 in die zweite Ventilposition 112 gebracht. Wenn der Kolben 30 auszufahren ist, wird das zweite Ventil 103 in die erste Ventilposition 110 gebracht. Wenn der Kolben 30 zurückzuziehen ist, wird das zweite Ventil 103 in die dritte Ventilposition 114 gebracht. Wenn der Zustand mit überholender Last abgefühlt wird, wird das erste Ventil 102 in die zweite Ventilposition 106 bewegt, um das Strömungsmittel zurück zur Pumpe 12 in der 2 oder zurück zum Motor in der 3 zu liefern.
Mit Bezug auf 3 wird ein Zustand mit überholender Last in der hydraulischen Schaltung durch die Steuereinheit 44 abgefühlt. Das erste Ventil 102 wird betätigt, um Strömungsmittel von der hydraulischen Betätigungsvorrichtung 22 zum Motor 204 in den Zustand mit überholender Last zu liefern. Eine Drehmomentausgabe wird aus dem Strömungsmittel erzeugt, welches zum Motor 204 geliefert wird. Dieses Drehmoment wird dann zur Leistungsquelle 14 geliefert.
Die Leistungsquelle 14 wird mit der Pumpe 202 durch die Antriebswelle 16 und mit dem Motor 204 durch die Welle 16 oder durch eine andere Welle gekoppelt. Wenn die Leistungsquelle das erste drehbare Kupplungselement 208 in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn in 4 dreht, und das zweite drehbare Kupplungselement 210 stationär ist, dann sind die ersten und zweiten drehbaren Kupplungselemente 208, 210 nicht in Eingriff. Wenn das zweite drehbare Kupplungselement 210 beginnt, sich in dem Zustand mit überholender Last zu drehen, und versucht, sich in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn schneller zu drehen als das erste drehbare Kupplungselement 208 sich in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn dreht, kommen die zwei Kupplungselemente in Eingriff, und das Drehmoment, welches aus dem Motor 204 ausgegeben wird, wird zur Leistungsquelle 14 übertragen.
Das oben beschriebene Verfahren und das System gewinnen in wirkungsvoller Weise Energie in einer hydraulischen Schaltung wieder. Darüber hinaus gewinnt das beschriebene System Energie in kosteneffektiver und energetisch effektiver Weise wieder, während ein Schaden an den Komponenten in dem System vermieden wird.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen in dem System und an dem Verfahren der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden dem Fachmann durch eine Betrachtung der Beschreibung und der praktischen Ausführung der Erfindung offensichtlich, die hier offenbart wurden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang und Kern der Erfindung durch die folgenden Ansprüche angezeigt wird.

Claims

Verfahren zur Wiedergewinnung von Energie in einer hydraulischen Schaltung, die eine Pumpe (202) und einen Motor (204) in Strömungsmittelverbindung mit einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung (22) über ein Ventil (102) aufweist, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Abfühlen eines Zustandes mit überholender Last in der hydraulischen Schaltung; Betätigung des Ventils, um Strömungsmittel von der hydraulischen Betätigungsvorrichtung zum Motor in dem Zustand mit überholender Last zu liefern; und Erzeugung einer Drehmomentausgabe aus dem Strömungsmittel, welches zum Motor geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Abfühlens des Zustandes mit überholender Last die Überwachung des Druckes und eines Betriebsbefehls der hydraulischen Betätigungsvorrichtung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiter aufweist, das erzeugte Drehmoment zu einer Leistungsquelle (14) über eine Freilaufkupplung (206) zu liefern.
System (200) zur Wiedergewinnung von Energie in einer hydraulischen Schaltung, welches Folgendes aufweist: eine Pumpe (202); eine hydraulische Betätigungsvorrichtung (22) in Strömungsmittelverbindung mit der Pumpe über ein Ventil und eine Leitung (24); einen Motor (204) in Strömungsmittelverbindung mit der hydraulischen Betätigungsvorrichtung über das Ventil, wobei das Ventil konfiguriert ist, um Strömungsmittel von der hydraulischen Betätigungsvorrichtung zum Motor in einem Zustand mit überholender Last zu liefern; eine Sensoranordnung in Verbindung mit der hydraulischen Schaltung; und eine Steuereinheit (44), die elektrisch mit dem Ventil und der Sensoranordnung gekoppelt ist.
System nach Anspruch 4, wobei das Ventil eine Anordnung eines unabhängigen Zumessventils ist.
System nach Anspruch 4, wobei das Ventil erste und zweite Ventilpositionen (104, 106) aufweist, wobei die erste Ventilposition konfiguriert ist, um das Strömungsmittel von der Pumpe zur hydraulischen Betätigungsvorrichtung zu liefern, wobei die zweite Ventilposition konfiguriert ist, um das Strömungsmittel von der hydraulischen Betätigungsvorrichtung zum Motor zu liefern.
System nach Anspruch 4, wobei die Sensoranordnung eine Vielzahl von Drucksensoren (42) aufweist, die den Druck der hydraulischen Betätigungsvorrichtung überwachen, und wobei die Steuereinheit einen Betriebsbefehl der hydraulischen Betätigungsvorrichtung überwacht und den Zustand mit überholender Last basierend auf dem Betriebsbefehl und dem überwachten Druck der hydraulischen Betätigungsvorrichtung abfühlt.
System nach Anspruch 4, welches weiter eine Freilaufkupplung (206) aufweist, wobei der Motor konfiguriert ist, um mit einer Leistungsquelle (14) über die Freilaufkupplung gekoppelt zu werden.
System nach Anspruch 8, wobei die Freilaufkupplung ein erstes drehbares Kupplungselement (208) aufweist, welches mit der Leistungsquelle gekoppelt ist, und ein zweites drehbares Kupplungselement (210), welches mit dem Motor gekoppelt ist.