DE19627437A1 - Steuereinrichtung für eine pulsierend arbeitende Pumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung für eine pulsierend arbeitende Pumpe mit einer Aus­ gangsleitung, von der eine Rückführleitung zur Nieder­ druckseite der Pumpe abzweigt, wobei in der Rückführ­ leitung ein durch Steuerimpulse tastverhältnisgesteuer­ tes Schaltventil angeordnet ist, über das von der Pumpe gefördertes Fluid zur Niederdruckseite zurückführbar ist, und in der Ausgangsleitung hinter der Abzweigstel­ le der Rückführleitung ein zur Ausgangsseite öffnendes Rückschlagventil angeordnet ist.

Eine bekannte Steuereinrichtung dieser Art (DE 41 13 067 A1) wird für eine Pumpe verwendet, bei der es sich um die Förderpumpe eines Heizungsbrenners, insbe­ sondere Ölbrenners, handelt. Eine solche Pumpe ist zu­ meist eine Zahnradpumpe, deren Ausgangsdruck pulsiert bzw. eine Welligkeit aufweist. Die Steuereinrichtung arbeitet unabhängig von der Pumpe. Durch das Öffnen und Schließen des impulsweise betriebenen Schaltventils kann sich daher die Welligkeit des Pumpendrucks zusätz­ lich erhöhen, wenn ein Impuls der Pumpe mit einem Schließvorgang des Schaltventils zusammentrifft. Dies kann sich störend auswirken, sei es dahingehend, daß das Rückschlagventil zumindest zeitweise periodisch öffnet und schließt und/oder ein auf Druckimpulse emp­ findlicher Verbraucher zu Schwingungen angeregt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuer­ einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine Einstellung des Ausgangsdrucks der Pumpe mit mög­ lichst geringer Welligkeit gestattet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Öffnungszeiten des Schaltventils jeweils mit den Maxima der Impulse der Pumpe zusammenfallen.

Bei dieser Lösung wird die Welligkeit des Pumpendrucks verringert, weil die Maxima der Welligkeit durch das Öffnen des Schaltventils beschnitten oder begrenzt und umgekehrt die Minima der Welligkeit durch das Schließen des Schaltventils angehoben werden.

Im einzelnen kann dafür gesorgt sein, daß an der Pumpe ein deren Impulse in eine pulsierende Spannung mit ei­ ner der Pulsfrequenz der Pumpe proportionalen Frequenz umformender Fühler angeschlossen ist, daß ein steuerba­ rer Oszillator vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal nach Frequenz und Phase mit der pulsierenden Spannung des Fühlers synchronisiert und über einen Pulsdauermo­ dulator in die Steuerimpulse für das Schaltventil umge­ wandelt wird. Diese Ausbildung stellt sicher, daß die Pumpenimpulse unabhängig von ihrer Folgefrequenz stets mit den Öffnungs- und Schließzeiten des Schaltventils nach Frequenz und Phase synchronisiert bleiben.

Ferner kann dafür gesorgt sein, daß die Steuereinrich­ tung einen Pulsdauer-Rechner enthält, der in Abhängig­ keit von einem Sollwertsignal und der Frequenz der pul­ sierenden Spannung des Fühlers ein Steuersignal für den Pulsdauermodulator zur Einstellung des Pulsdauermodula­ tionsgrades (Tastverhältnisses) der Steuerimpulse er­ zeugt. Das Sollwertsignal kann einen Grundsollwert für den Pulsdauermodulationsgrad bzw. das Tastverhältnis der Steuerimpulse des Schaltventils darstellen, dem eine die Frequenz der pulsierenden Spannung des Fühlers darstellende Gleichspannung überlagert wird, so daß sich das Steuersignal für den Pulsdauermodulator er­ gibt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß zwischen der Pulsfrequenz der Pumpe, gegebenenfalls der Drehzahl einer Zahnradpumpe, und dem resultierenden Rückfluß über das Schaltventil Proportionalität besteht.

Der Oszillator kann in einem Phasenregelkreis angeord­ net sein. Dies ergibt eine sogenannte PLL-Schaltung (PLL = phase locked loop), bei der die Frequenz und Phase des Oszillator-Ausgangssignals starr mit einer Bezugsfrequenz, hier der Pulsfrequenz der Pumpe, syn­ chronisiert ist. Dabei wird gleichzeitig ein Phasen-Sollwertsignal einem Vergleicher der Phasenregelein­ richtung zugeführt, der es mit der Phasenlage des Oszillator-Ausgangssignals vergleicht und über einen Pha­ senregler die Phasenlage des Oszillator-Ausgangssignals so einstellt, daß eine Phasenverschiebung zwischen den Ausgangsimpulsen des Fühlers und den Impulsen der Pumpe kompensiert wird.

Sodann kann dafür gesorgt sein, daß der Oszillator ein Dreieck-Oszillator mit symmetrischem Dreieck-Ausgangs­ signal ist und der Pulsdauermodulator das ihm vom Puls­ dauer-Rechner zugeführte Steuersignal mit dem Dreieck-Ausgangssignal des Oszillators vergleicht und bei jeder Überschreitung dieses Steuersignals durch das Dreieck-Ausgangssignal für die Dauer der Überschreitung einen Rechteck-Steuerimpuls zur Steuerung des Schaltventils erzeugt. Dadurch können auf einfache Weise die Öff­ nungs- und Schließzeiten des Schaltventils, insbesonde­ re die Mitte der Öffnungs- und Schließzeiten mit den Maxima bzw. Minima der Pumpenimpulse synchronisiert werden.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachste­ hend anhand der Zeichnung eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung in Verbindung mit einer pulsierend arbeitenden Pumpe, die einen Ver­ braucher in Form einer Kolben-Zylinder-Anord­ nung mit Druckfluid versorgt,

Fig. 2A den Verlauf des Pumpendrucks ohne die Steuer­ einrichtung,

Fig. 2B die Funktion eines das Schaltventil bildenden Magnetventils in einer Rückführleitung der Pumpe, das durch die Steuereinrichtung ge­ steuert wird,

Fig. 2C den Verlauf der Steuerimpulse des Schaltven­ tils und

Fig. 2D den Verlauf von Eingangssignalen eines in der Steuereinrichtung enthaltenen Pulsdauermodu­ lators.

Nach Fig. 1 versorgt eine pulsierend arbeitende Pumpe 1 mit weitgehend (im Mittel) konstanter Verdrängung, hier eine Zahnradpumpe, die über einen nicht dargestellten Motor angetrieben wird, über eine Ausgangsleitung 2 einen Verbraucher 3 mit veränderlichem Durchfluß und Druckabfall, hier einen Hydraulikzylinder, mit Druck­ fluid aus einem Behälter 4. Von der Ausgangsleitung 2 ist eine Rückführleitung 5 abgezweigt, in der ein durch Steuerimpulse tastverhältnisgesteuertes Schaltventil 6, hier ein Magnetventil, angeordnet ist, über das das von der Pumpe 1 geförderte Fluid zur Niederdruckseite der Pumpe zurückführbar ist. In der Ausgangsleitung 2 ist hinter der Abzweigstelle der Rückführleitung 5 ein zur Ausgangsseite öffnendes, federbelastetes Rückschlagven­ til 7 angeordnet. Die Federbelastung des Rückschlagven­ tils 7 kann aber auch entfallen. Das Rückschlagventil verhindert in energiesparender Weise, daß, wenn der Druck auf Seiten des Verbrauchers 3 höher als der Pum­ pendruck werden sollte, das Fluid vom Verbraucher 3 über die Rückführleitung 5 in den Behälter 4 zurück­ strömt.

An der Pumpe 1 ist ein deren Impulse in eine pulsieren­ de Spannung, hier eine Wechselspannung, mit einer der Pulsfrequenz der Pumpe 1 proportionalen Frequenz umfor­ mender induktiver Fühler 8 angeschlossen, der bei jedem Vorbeilauf eines Zahns des einen Zahnrads der Zahnrad­ pumpe einen positiven und einen negativen Impuls er­ zeugt, von denen nur die Impulse mit der einen Polari­ tät verwendet werden. Die pulsierende Spannung wird einer Steuereinheit 9 zugeführt, die zusammen mit dem Schaltventil 6 und dem Fühler 8 die Steuereinrichtung bildet und dem Steuereingang (dem Elektromagneten) des Schaltventils 6 das Tastverhältnis des Schaltventils 6 steuernde, impulsdauermodulierte Steuerimpulse über eine Leitung 10 zuführt.

Die Steuereinheit 9 enthält einen Phasenregelkreis 11, in dem eine Phasenregeleinrichtung 12 und ein Oszillator 13 hintereinander angeordnet sind. Die Phasenregel­ einrichtung 12 enthält einen Phasendetektor, der die Phasenlage des Ausgangssignals des Oszillators 13 in eine dieser proportionale Gleichspannung umformt und als Regelgröße einem Vergleicher zuführt, dem ein Pha­ sen-Sollwertsignal als Führungsgröße zugeführt wird und der eine etwaige Regelabweichung über einen Regelver­ stärker dem Oszillator 13 als Stellgröße für dessen Frequenz zuführt. Bei dem Oszillator 13 handelt es sich um einen Dreieck-Oszillator, dessen Dreieck-Ausgangs­ signal in Fig. 2D dargestellt ist. Das Ausgangssignal des Oszillators 13 wird außerdem einem Pulsdauermodula­ tor 14 zugeführt. Die Steuereinheit 9 enthält ferner einen Pulsdauer-Rechner 15, der in Abhängigkeit von einem ihm über einen Steuereingang 16 zugeführten Soll­ wertsignal für einen Grundwert des Pulsdauermodula­ tionsgrades und einer aus einer der Frequenz der Wech­ selspannung des Fühlers 8 proportionalen Gleichspannung ein Steuersignal S, dessen Verlauf ebenfalls in Fig. 2D dargestellt ist, dem Pulsdauermodulator 14 zur Einstel­ lung des Pulsdauermodulationsgrades bzw. Tastverhält­ nisses der in Fig. 2C dargestellten Steuerimpulse für das Schaltventil 6 erzeugt. Wie Fig. 2D zeigt, ver­ gleicht der Pulsdauermodulator 14 das ihm vom Pulsdau­ er-Rechner 15 zugeführte Steuersignal S mit dem symme­ trischen Dreieck-Ausgangssignal des Oszillators 13, wobei er bei jeder Überschreitung dieses Steuersignals S durch das Dreieck-Ausgangssignal für die Dauer der Überschreitung einen Rechteck-Steuerimpuls gemäß Fig. 2C zur Steuerung des Schaltventils 6 erzeugt. Die Rechteck-Steuerimpulse werden durch einen in der Steu­ ereinheit 9 enthaltenen Treiber 18 verstärkt und über die Leitung 10 dem Steuereingang des Schaltventils 6 zugeführt. Das Schaltventil 6 öffnet und schließt dar­ aufhin abwechselnd im Idealfalle frequenz- und phasen­ synchron mit den über die Leitung 10 zugeführten Steu­ erimpulsen, so daß das Maximum jedes Impulses der Pumpe bzw. des Pumpendrucks nach Fig. 2A weitgehend, im Idealfalle genau, mit der Mitte jeweils einer der Öff­ nungszeiten (der Öffnungszeitspannen) des Schaltventils 6 zusammenfällt. Gleichzeitig fallen auch die Schließ­ zeiten des Schaltventils mit den Minima des Pumpen­ drucks zusammen, wie ein Vergleich der Fig. 2A und 2B zeigt. Die Maxima der Welligkeit des Pumpendrucks bzw. der Pumpenimpulse werden daher beschnitten bzw. be­ grenzt, während gleichzeitig die Minima der Welligkeit des Pumpendrucks angehoben werden, so daß die Wellig­ keit des Pumpendrucks erheblich reduziert wird. Der Idealfall, daß die Maxima des Pumpendrucks jeweils ge­ nau mit der Mitte der Öffnungszeiten (Öffnungsdauer) des Schaltventils 6 zusammenfallen, setzt ein sehr rasch arbeitendes (sehr rasch öffnendes und schließen­ des) Schaltventil voraus. In der Praxis können, insbe­ sondere bei etwas langsamer arbeitenden Schaltventilen, geringfügige Abweichungen von dem Idealfall auftreten. Es kann aber zur Verminderung der inhärenten Welligkeit des Pumpendrucks auch ausreichend sein, wenn die Öff­ nungszeiten oder die maximale Öffnungsweite des Schalt­ ventils mit den Maxima der Pumpenimpulse bzw. des Pum­ pendrucks zusammenfallen.

Der Pulsdauer-Rechner 15 kann einen Summierer enthal­ ten, der das ihm über den Steuereingang 16 zugeführte Sollwertsignal für den Grundwert des Pulsdauermodula­ tionsgrades mit einem aus der Frequenz der pulsierenden Spannung des Fühlers 8 umgeformten Gleichspannungssi­ gnal überlagert, so daß der sich durch die Pulsdauermo­ dulation bzw. Tastverhältnissteuerung des Schaltventils 6 ergebende Mittelwert des Rückflusses über die Rück­ führleitung 5 proportional zur Drehzahl der Pumpe 1 bzw. der Folgefrequenz der Pumpenimpulse ist. Der Sum­ mierer kann analog oder digital, letzteres zum Beispiel in Form eines Mikrorechners, ausgebildet sein. Bei di­ gitaler Ausbildung des Pulsdauer-Rechners 15 werden dann die ihm zugeführten Analogsignale zunächst im Pulsdauer-Rechner 15 digitalisiert.

Der Ausgangsdruck der Pumpe 1 bzw. der resultierende Durchfluß in der Ausgangsleitung 2 hinter der Ab­ zweigstelle der Rückführleitung 5 und mithin auf Seiten des Verbrauchers 3 wird daher so gesteuert, daß er im Mittel etwa umgekehrt proportional zu dem Rückfluß über die Rückführleitung 5 ist, dessen Mittelwert durch den Pulsdauermodulationsgrad bzw. das Tastverhältnis des Schaltventils 6 bestimmt wird. Gleichzeitig wird die inhärente Welligkeit des Drucks bzw. der Verdrängung der pulsierend arbeitenden Pumpe 1 weitgehend ausgegli­ chen.

Anstelle der dargestellten Zahnradpumpe kann auch eine andere pulsierend arbeitende Pumpe, z. B. eine Kolben­ pumpe, vorgesehen sein. Anstelle des induktiven Fühlers 8 kann auch ein optischer Fühler, z. B. eine Licht­ schranke, oder ein digitaler Drehzahlfühler vorgesehen sein, dessen digitales Ausgangssignal in ein analoges Signal umgesetzt wird. Möglich wäre auch ein Drehzahl­ fühler, der den Vorbeilauf einer der Zähnezahl eines Zahnrads einer Zahnradpumpe entsprechenden Anzahl von Nocken am Umfang der Antriebswelle der Pumpe abtastet, wobei die Nocken gegenüber den Zähnen um eine der An­ sprechverzögerung des Fühlers voreilende Phasenver­ schiebung versetzt sind, so daß die Ausgangsimpulse des Fühlers in Frequenz und Phasenlage mit den Pumpenimpul­ sen synchron sind und zumindest die Phasenregeleinrich­ tung 12 entfällt.

Ferner kann anstelle des als Schaltventil 6 verwendeten Magnetventils ein hydraulisch oder pneumatisch betätig­ tes Ventil vorgesehen sein, daß über einen entsprechen­ den elektro-hydraulischen oder elektro-pneumatischen Umformer durch die Steuereinheit 9 gesteuert wird.

Claims (5)

1. Steuereinrichtung für eine pulsierend arbeitende Pumpe (1) mit einer Ausgangsleitung (2), von der eine Rückführleitung (5) zur Niederdruckseite der Pumpe (1) abzweigt, wobei in der Rückführleitung (5) ein durch Steuerimpulse tastverhältnisgesteuer­ tes Schaltventil (6) angeordnet ist, über das von der Pumpe (1) gefördertes Fluid zur Niederdrucksei­ te zurückführbar ist, und in der Ausgangsleitung (2) hinter der Abzweigstelle der Rückführleitung (5) ein zur Ausgangsseite öffnendes Rückschlagven­ til (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungszeiten des Schaltventils (6) jeweils mit den Maxima der Impulse der Pumpe zusammen­ fallen.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der Pumpe (1) ein deren Impulse in eine pulsierende Spannung mit einer der Pulsfre­ quenz der Pumpe (1) proportionalen Frequenz umfor­ mender Fühler (8) angeschlossen ist, daß ein steu­ erbarer Oszillator (13) vorgesehen ist, dessen Aus­ gangssignal nach Frequenz und Phase mit der pulsie­ renden Spannung des Fühlers (8) synchronisiert und über einen Pulsdauermodulator (14) in die Steuer­ impulse für das Schaltventil (6) umgewandelt wird.

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie einen Pulsdauer-Rechner (15) ent­ hält, der in Abhängigkeit von einem Sollwertsignal und der Frequenz der pulsierenden Spannung des Füh­ lers (8) ein Steuersignal (S) für den Pulsdauermo­ dulator (14) zur Einstellung des Pulsdauermodula­ tionsgrades (Tastverhältnisses) der Steuerimpulse erzeugt.

4. Steuereinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (13) in einem Phasenregelkreis (11) angeordnet ist.

5. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (13) ein Dreieck-Oszillator mit symmetrischem Dreieck-Aus­ gangssignal ist und der Pulsdauermodulator (14) das ihm vom Pulsdauer-Rechner (15) zugeführte Steuersi­ gnal (S) mit dem Dreieck-Ausgangssignal des Oszillators (13) vergleicht und bei jeder Überschreitung dieses Steuersignals (S) durch das Dreieck-Aus­ gangssignal für die Dauer der Überschreitung einen Rechteck-Steuerimpuls zur Steuerung des Schaltven­ tils (6) erzeugt.