DE19613080C1 - Pumpe für Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpe für Flüssigkeiten mit einer ersten Kammer für eine Flüssigkeit, die einen abgedichtet, bewegbaren Hauptkolben, einen verschließbaren Flüssigkeitszufluß und eine öffenbare Öffnung aufweist.

Derartige Pumpen für Flüssigkeiten haben meist als verschließbaren Flüssigkeitszufluß ein Rückschlagventil, das einen Zufluß der Flüssigkeit in die Kammer erlaubt und als gegen einen Widerstand öffenbare Öffnung ein weiteres Rückschlagventil, das einen Abfluß der Flüssigkeit aus der Kammer ermöglicht.

Wenn der Hauptkolben aus der Kammer herausgezogen wird, entsteht ein Unterdruck in der Kammer, wodurch Flüssigkeit in die Kammer nachfließt und wenn der Hauptkolben in die Kammer hineingedrückt wird, entsteht ein Überdruck, der nur aus dem gegen einen kleinen Widerstand öffenbaren Auslaßventil aus der Kammer entweicht.

Der Hauptkolben wird meist über einen Verbrennungsmotor angetrieben, wobei ein Schwungrad dafür sorgt, daß der in die Kammer gepreßte Hauptkolben wieder aus der Kammer herausgezogen wird.

Derartige Pumpen haben jedoch den Nachteil, daß einerseits die gepumpte Flüssigkeit starken Druckschwankungen unterliegt und andererseits ein Schwungrad oder eine aufwendige Konstruktion benötigt wird, um den Hauptkolben während des Einsaugvorgangs wieder aus der Kammer herauszubefördern.

Eine gattungsgemäße Pumpe ist aus der EP 0093732 B1 bekannt. Bei der dort beschriebenen Pumpe betätigt ein Hilfsmotor die Ventile zwischen dein Hydraulikzylinder und einem Druckspeicher bzw. einem Vorratsbehälter. Da dies mit einer festen Frequenz geschieht, wird der federnd gelagerte Kolben des Verbrennungsmotors zu einer erzwungenen synchronen Schwingung angeregt. Eine Leistungsregelung des Motors durch Frequenzvariation ist bei dieser Pumpe nicht möglich und es wird eine energieverbrauchende Hilfseinrichtung für die Ventilsteuerung benötigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pumpe der eingangs erwähnten Art so weiterzuentwickeln, daß die Druckschwankung am Flüssigkeitsauslaß reduziert wird und der Hauptkolben im richtigen Moment aus der Kammer herausgedrückt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Pumpe mit einer zweiten Kammer für Flüssigkeit gelöst, die über die öffenbare Öffnung mit der ersten Kammer in Flüssigkeitsverbindung bringbar ist und einen Flüssigkeitsabfluß aufweist, und eine dritte Kammer für ein Gas, die über einen Nebenkolben mit der zweiten Kammer in Verbindung steht, wobei die Öffnung mittels des Nebenkolbens öffenbar ist.

Bei einer derartigen Pumpe dient die Kombination aus zweiter und dritter Kammer als Druckwindkessel, wobei der zwischen den Kammern angeordnete Nebenkolben beim Betreiben der Pumpe eine Öffnung zwischen erster und zweiter Kammer in einem Moment bewirkt, in dem die zweite Kammer auf ein Minimalvolumen entleert ist und der Druck in der dritten Kammer noch hoch genug ist, um den Hauptkolben aus der ersten Kammer heraus zu drücken. Dadurch genügt es, wenn der Hauptkolben von einer Vorrichtung angetrieben wird, die nur dazu geeignet ist, den Kolben in die erste Kammer hineinzudrücken. Die Rückführung des Kolbens übernimmt die erfindungsgemäße Pumpe. Die erfindungsgemäße Pumpe löst somit auf einfache Art und Weise zwei im Stand der Technik seit langem bekannte Probleme.

Die Massen, Wege, Drücke und Volumina sind hierbei auf den vorgesehenen Antrieb und den eingesetzten Verbraucher abzustimmen, wobei eine genaue Abstimmung optimale Wirkungsgrade erlaubt.

Vorteilhaft ist es, wenn der verschließbare Flüssigkeitszufluß ein Rückschlagventil aufweist. Dies sichert einen rechtzeitigen Verschluß des Zuflusses wenn in der ersten Kammer der Druck über den Druck des Zuflusses und den Widerstand des Ventils steigt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Hauptkolben direkt mit einem Zylinder in Verbindung steht, in dem eine Verbrennung durchgeführt ist. Dies führt dazu, daß der während der Expansionsphase in die erste Kammer durch den Hauptkolben eingebrachte Energie in der dritten Kammer zwischengespeichert wird und zumindest zum Teil zur Verdrängung des Hauptkolbens aus der ersten Kammer verwendbar ist. Da die Verdrängung des Hauptkolbens aus der ersten Kammer die Kompression im Zylinder bewirkt, ersetzt die erfindungsgemäße Pumpe das üblicherweise bei derartigen Motoren notwendige Schwungrad oder die Anordnung mehrerer, auf eine Kurbelwelle arbeitender Zylinder. Die Pumpe kann somit inclusive Verbrennungskraftmaschine sehr kompakt und einfach aufgebaut werden.

Die Trennung des Zylinders vom Verbraucher erlaubt es, die Verbrennung unter konstanten Bedingungen ablaufen zu lassen und ermöglicht außerdem eine genaue Abstimmung zwischen den Parametern der Verbrennungskraftmaschine und den Parametern der restlichen Pumpe. Unter diesen Parametern sind vor allem Massen, Weglängen und Volumina zu optimieren, um den Wirkungsgrad der Pumpe zu maximieren.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Zylinder einen axial verschiebbaren Zylinderkopf aufweist. Dadurch kann die Leistung der Verbrennungskraftmaschine über das veränderbare Kompressionsvolumen an die Parameter der restlichen Pumpe und die benötigte Leistung auf der Flüssigkeitsseite angepaßt werden.

Eine besondere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Zylinder der Verbrennungskraftmaschine mit einem weiteren Hauptkolben einer weiteren entsprechenden Pumpe in Verbindung steht. Dies erlaubt die Aufteilung der Pumpe in zwei Pumpenteile, die entweder gleichphasig oder versetzt zueinander arbeiten können.

Dadurch wird einerseits die Leistung der Pumpe und andererseits ihr Gleichlauf weiter erhöht.

Die öffenbare Öffnung zwischen erster und zweiter Kammer weist vorzugsweise eine federbelastete Einrichtung auf. Diese Feder kann auf ein spezielles Betriebsverhalten der Pumpe abgestimmt sein oder auch derart einstellbar ausgeführt sein, daß der von ihr ausgeübte Widerstand variabel ist.

Vorteilhaft ist es, wenn der Flüssigkeitsabfluß ein Rückschlagventil aufweist. Dadurch wird sichergestellt, daß eine möglicherweise hinter diesem Rückschlagventil entstehende Druckerhöhung nicht zu einem Fluidfluß zurück in die zweite Kammer führt. Außerdem behindert dieses Rückschlagventil bei einem Absinken des Druckes in der zweiten Kammer ein Zurückströmen der Flüssigkeit.

Als Nebenkolben kann ein einzelner Kolben eingesetzt werden, der mit einer einzigen dritten Kammer zusammenwirkt. Andererseits können aber auch mehrere Nebenkolben verwendet werden, die die zweite Kammer mit einer oder mehreren dritten Kammern verbindet. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Ausbildung des Nebenkolbens als Ringkolben und insbesondere die Anordnung des Ringkolbens konzentrisch zum Hauptkolben. Dadurch entsteht ein kompakter Aufbau der Pumpe und eine gleichmäßige Verteilung der bei der Bewegung der Teile entstehenden Kräfte.

Eine Ausgestaltungsform der Erfindung sieht vor, daß der Nebenkolben über einen drehbar gelagerten Hebelarm mit einer Abdichtung verbunden ist, die die Öffnung öffenbar verschließt. Das Vorsehen eines derartigen Hebelarms erlaubt eine Anpassung des vom Nebenkolben zurückgelegten Weges an die zur Öffnung der Abdichtung benötigte Kraft und erlaubt eine Variation der Kammervolumina in großen Bereichen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Nebenkolben mit einer Abdichtung verbunden ist, die die Öffnung öffenbar verschließt, und die erste Kammer einen verschließbaren, zweiten Flüssigkeitsabfluß aufweist.

Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß der Druck unter dem die Flüssigkeit abfließt, unabhängig vom Druck in der dritten Kammer variierbar ist.

In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und diese werden im folgenden näher beschrieben:

Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Pumpe,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine alternative Pumpe,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine dritte Pumpenalternative, die mit einer zweiten Pumpe über einen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine zusammenwirkt,

Fig. 4 die Kompressionsphase,

Fig. 5 die Expansionsphase,

Fig. 6 die Rückführung,

Fig. 7 die Energieabgabephase,

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Verbrennungszylinders mit großem Kompressionsvolumen,

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Verbrennungszylinders mit kleinem Kompressionsvolumen,

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines axial verschiebbaren Zylinderkopfes,

Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Zusatzventils am Zylinderkopf und

Fig. 12 mögliche Querschnitte durch eine Pumpe gemäß Fig. 1.

Die in der Fig. 1 gezeigte Pumpe 1 hat in ihrer Mitte eine erste Kammer 2 für eine Flüssigkeit 3. Diese Flüssigkeit 3 gelangt über einen verschließbaren Flüssigkeitszufluß 4, der im vorliegendem Fall ein Rückschlagventil ist, von einem nicht gezeigten Flüssigkeitsreservoir in die erste Kammer 2. Die Flüssigkeit ist vorzugsweise ein Hydrauliköl. Die zylinderförmige erste Kammer 2 weist an ihrer oberen Seite eine Öffnung 5 auf, über die ein mittels einer Dichtung 6 abgedichteter Hauptkolben 7 in die Kammer 2 einführbar ist. Auf der der Öffnung 5 gegenüberliegende Seite der Kammer 2 weist die Kammer 2 eine ebenfalls konzentrische Öffnung 8 auf, die mittels einer als Platte ausgebildeten Abdichtung 9 abdichtbar ist. Diese Platte 9 wird über eine Feder 10 gegen die Öffnung 8 gedrückt.

Auf der anderen Seite der Platte 9 befindet sich eine sich ebenfalls koaxial zur Kammer 2 erstreckende zweite Kammer 11, die einen Flüssigkeitsabfluß 12 aufweist. Koaxial zur Kammer 2 erstreckt sich um die Kammer 2 herum ein Ringkolben 13, der als Nebenkolben wirkt und längs der Kammer 2 auf und ab bewegbar ist. Dieser Ringkolben 13 steht auf seiner einen Seite mit der in der zweiten Kammer 11 befindlichen Flüssigkeit in Verbindung und auf seiner anderen Seite mit einem in einer dritten Kammer 14 befindlichen Gas 15.

Alle Kammern 2, 11, 14 sind innerhalb eines Metallblocks 16 eng beieinanderliegend so angeordnet, daß sich die dritte Kammer 14 um die erste Kammer 2 herum erstreckt und die zweite Kammer 11 im wesentlichen unterhalb der ersten Kammer 2 angeordnet ist.

Hauptkolben 7, Nebenkolben 13 und Platte 9 sind auf einer Achse auf und ab bewegbar, wobei der Nebenkolben 13 Ringdichtungen 17 aufweist und die Platte 9 mittels einer Plattendichtung 18 gegen die erste Kammer 2 abdichtet.

Der Kolben 7 ist mit einem Teilkolben einer Verbrennungskraftmaschine verbunden, die in Fig. 1 nicht eingezeichnet ist.

In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform der Pumpe dargestellt und die entsprechenden Teile sind mit den entsprechenden Bezugsziffern beschriftet. Die Pumpe nach Fig. 2 hat ebenfalls eine zentrale erste Kammer 2, unter der sich die zweite Kammer 11 befindet. Die dritte Kammer 14 ist jedoch unterhalb der zweiten Kammer 11 angeordnet, und der Nebenkolben 13 wirkt über eine Hebelvorrichtung 19 auf die Platte 9, so daß bei einer Aufwärtsbewegung des Nebenkolbens 13 die Platte 9 von der Öffnung 8 von der ersten Kammer 2 abgehoben wird.

Außerdem ist der Flüssigkeitsabfluß 12 auf der Mittelachse der Pumpe koaxial zur dritten Kammer 14 angeordnet.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Pumpe, die äußerlich weitgehend der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 entspricht. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch der Ringkolben 13 fest mit der Platte 9 verbunden und die erste Kammer 2 weist einen verschließbaren zweiten Flüssigkeitsabfluß 20 auf. Dieser zweite Flüssigkeitsabfluß enthält ein Rückschlagventil, das einen Fluß von Flüssigkeit aus der ersten Kammer 2 in einen hinter dem Abfluß 20 angeordneten Arbeitsdruckspeicher 21 erlaubt. Dieser Arbeitsdruckspeicher 21 weist ein weiteres Rückschlagventil 22 auf, durch das Flüssigkeit aus dem Arbeitsdruckspeicher entnehmbar ist.

Bei dieser Ausführungsform weist der Flüssigkeitsabfluß 12 aus der zweiten Kammer 11 ein Absperrventil auf, das zum Einleiten der Kompressionsphase geöffnet wird.

Außerdem zeigt die Fig. 3 einen Zylinder 23 einer schematisch angedeuteten Verbrennungskraftmaschine, der mit zwei Kolben 24, 25 zusammenwirkt. Diese Kolben 24, 25 sind jeweils fest verbunden mit den Hauptkolben 7 bzw. 7′ zweier Pumpen 1 bzw. 1′.

Der Einsatz der Pumpe wird am Beispiel der Pumpe nach Fig. 1 im folgenden anhand der Fig. 4 bis 7 weiter erläutert. Die Fig. 4 bis 7 bestehen jeweils aus drei untereinander angeordneten Diagrammen, die jeweils den Beginn, eine Mittelstellung und das Ende einer speziellen Phase beschreiben. Jedes Diagramm besteht wieder aus einer schematischen Darstellung der Ventilstellungen der Pumpe und einem Schnitt durch die drei Kammern mit den darin angeordneten Kolben.

Am Anfang der in Fig. 4 dargestellten Kompressionsphase liegt der Nebenkolben 13 auf der Platte 9 auf und der Hauptkolben 7 befindet sich in einer mittleren Stellung. Bei weiterer Flüssigkeitsentnahme über den Flüssigkeitsabfluß 12 wird durch den Druck des Gases in der dritten Kammer 14 der Nebenkolben 13 weiter nach unten bewegt, so daß er die Platte 9 nach unten bewegt. Die erste Kammer 2 und die zweite Kammer 11 sind dann durch die Öffnung 8 verbunden. Der Druck in der dritten Kammer 14 ist jedoch so hoch, daß der Hauptkolben 7 so nach oben gedrückt wird, daß im Zylinder 23 der Verbrennungskraftmaschine ein Brennstoffgasgemisch komprimiert wird.

Am Ende der Kompressionsphase befindet sich der Nebenkolben 13 in seiner untersten und der Hauptkolben 7 in seiner obersten Position.

Am Anfang der Expansionsphase wird im Zylinder 23 der Verbrennungskraftmaschine das Brennstoffgasgemisch gezündet, und dadurch wird der Hauptkolben 7 in die Kammer 2 hineingedrückt. Dabei gelangt durch die Öffnung 8 Flüssigkeit in die zweite Kammer 11 und der erhöhte Druck in der ersten Kammer 2 und der zweiten Kammer 11 führt zu einem Anheben des Nebenkolbens 13 und somit zu einer Kompression des Gases 15 in der dritten Kammer 14.

Am Ende der Expansionsphase ist der Hauptkolben 7 in seiner tiefsten Position und der Nebenkolben 13 in seiner höchsten Lage. Da in dieser Position keine Flüssigkeit mehr aus der ersten Kammer 2 in die zweite Kammer 11 fließt, verschließt die Feder 10 mittels der Platte 9 die Kammer 2.

Die Fig. 6 zeigt die Rückführungsphase in der der Hauptkolben 7 bei geschlossener Kammer 2 mit Flüssigkeit aus der Kammer 2 herausgedrückt wird, indem mit einem geringen Überdruck Flüssigkeit durch den Flüssigkeitszufluß 4 in die Kammer 2 gedrückt wird. Am Ende der Rückführungsphase ist der Hauptkolben 7 in einer mittleren Stellung der Startstellung für die Kompressionsphase.

Fig. 7 zeigt die Phase der Energieabgabe, die sich auch mit den vorher erwähnten Phasen überschneiden kann. Bei der Energieabgabe ist der Flüssigkeitsabfluß 12 geöffnet, und der Gasdruck in der dritten Kammer 14 drückt den Nebenkolben 13 herunter, der dabei die in der zweiten Kammer befindliche Flüssigkeit 3 durch den Flüssigkeitsabfluß 12 aus der Pumpe herausdrückt. Am Ende der Energieabgabephase berührt der Ringkolben 13 die Platte 9, und ein weiterer Abfluß von Flüssigkeit 3 aus der zweiten Kammer 11 leitet über zu den in der ersten Phase beschriebenen Vorgängen.

Die Fig. 8 und 9 zeigen einen Zylinder 23 einer Verbrennungskraftmaschine in dem das dem Hauptkolben 7 gegenüberliegende Ende 24 als Kolben geführt ist. Die einzelnen Darstellungen in den Fig. 8 und 9 zeigen jeweils die 4 Phasen Kompression, Expansion, Rückführung und Energieabgabe. Je nachdem wie weit der Kolben 24 in den Zylinder 23 hineingeführt wird, verändert sich das Kompressionsvolumen, und die dargestellten Kolbenführungen zeigen in welchem weiten Bereich das Kompressionsvolumen durch veränderliche Rückführung des Kolbens variiert werden kann.

Eine andere Möglichkeit, das Kompressionsvolumen zu verändern zeigt Fig. 10. Hier wird die Position eines Zylinderkopfes 28 innerhalb des Zylinders 23 variiert, um das zwischen dem Kolben 24 und dem Zylinderkopf befindliche Kompressionsvolumen 29 zu variieren.

Da die erfindungsgemäße Pumpe ohne Schwungrad funktioniert, wird mit jedem einzelnen Hub des Hauptkolbens 7 bzw. des Kolbens 24 das benötigte Hydraulikflüssigkeitsvolumen zur Verfügung gestellt. Danach steht die Pumpe still, um immer nur dann in Bewegung gesetzt zu werden, wenn neue Hydraulikflüssigkeit benötigt wird. Um die Pumpen nach den Fig. 1 und 2 zu starten, muß soviel Hydraulikflüssigkeit aus der zweiten Kammer 11 entnommen werden, daß der Nebenkolben 13 die Platte 9 abhebt, um die Kompressionsphase einzuleiten.

Die Fig. 11 zeigt eine Möglichkeit den Kolben 24 und damit den Hauptkolben 7 durch Fremdenergie in eine gewünschte Position zu bringen. Die ist z. B. zur Inbetriebnahme der Pumpe nötig. Dabei wird mittels eines Drei-Wege-Ventils 30 am Brennstoffgasgemisch-Einlaß des Zylinders 23 alternativ zum Brennstoffgasgemisch Druckluft in den Zylinder 23 gefördert, um den Kolben 24 in eine gewünschte Position zu bewegen.

Fig. 12 zeigt letztlich einen Querschnitt durch verschiedene Ausführungsformen einer Pumpe nach Fig. 1. Die Figuren zeigen deutlich, daß in dem Block 16, in dessen Mitte sich die erste Kammer 2 befindet sich als Nebenkolben kleinere runde Einzelkolben 31 bis 34 in 4 zylinderförmigen dritten Kammern bewegen können. Alternativ dazu ist, wie vorher beschrieben, um die erste Kammer 2 ein Ringkolben 13 vorgesehen, der sich in einer ringförmigen dritten Kammer 14 bewegt.

Claims (9)

1. Pumpe für Flüssigkeiten mit

• - einer ersten Kammer (2) für eine Flüssigkeit (3), die einen abgedichtet bewegbaren Hauptkolben (7), einen verschließbaren Flüssigkeitszufluß (4) und eine öffenbare Öffnung (8) aufweist, gekennzeichnet durch eine zweite Kammer (11) für Flüssigkeit (3),
• - die über die öffenbare Öffnung (8) mit der ersten Kammer (2) in Flüssigkeitsverbindung bringbar ist und einen Flüssigkeitsabfluß (12) aufweist, und
• - eine dritte Kammer (14) für ein Gas (15), die über einen Nebenkolben (13) mit der zweiten Kammer (11) in Verbindung steht,
• - wobei die Öffnung (8) mittels des Nebenkolbens (13) öffenbar ist.

2. Pumpe für Flüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitszufluß (4) ein Rückschlagventil aufweist.

3. Pumpe für Flüssigkeiten nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkolben (7) direkt mit einem Zylinder (23), in dem eine Verbrennung durchführbar ist, in Verbindung steht.

4. Pumpe für Flüssigkeiten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (23) einen axial verschiebbaren Zylinderkopf (28) aufweist.

5. Pumpe für Flüssigkeiten nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (23) der Verbrennungskraftmaschine mit einem weiteren Hauptkolben (7′), einer weiteren entsprechenden Pumpe in Verbindung steht.

6. Pumpe für Flüssigkeiten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsabfluß (12) ein Rückschlagventil aufweist.

7. Pumpe für Flüssigkeiten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenkolben (13) ein Ringkolben ist.

8. Pumpe für Flüssigkeiten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenkolben (13) über einen drehbar gelagerten Hebelarm (19) mit einer Abdichtung (18) verbunden ist, die die Öffnung (8) öffenbar verschließt.

9. Pumpe für Flüssigkeiten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenkolben (13) mit einer Abdichtung (9) verbunden ist, die die Öffnung (8) öffenbar verschließt, und die erste Kammer (2) einen verschließbaren, zweiten Flüssigkeitsabfluß (20) aufweist.