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Vorrichtung zur Erfassung der Kolbenstellung eines Hubverdrängers
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung der Kolbenstellung
und insbesondere der Totpunktlage der Kolben eines EIubverdrängers, der über ein
hydraulisches Gestänge mit einem Verdränger in Verbindung steht und einen Bewegungswandler
bildet. In Abhängigkeit von dem ermittelten Wert bzw. der Abweichung vom Sollwert
kann dann z.B. über ein Wegeventil mit zu- und abführenden
Verbindungsleitungen
zum hydraulischen Gestänge eine Änderung des Druckmittelvolumens herbeigeführt werden,
bis der Sollwert wieder erreicht ist.
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Bei hydrostatischen Bewegungswandlern läßt sich eine kurzzeitige oder
auch andauernde Störung im Gleichlauf zwischen ubkolbenverdränger und Verdränger,
bezogen auf eine bestimmte Soll stellung, nicht vollständig vermeiden.
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Verursacht werden die Störungen im Gleichlauf einerseits durch Undichtigkeitsverluste
in Folge unvollkommener Dichtungselemente im ilubkolbenverdränger oder im Verdränger,
andererseits aber auch dadurch, daß bei längerem Stillstand des Bewegungswandlers
der Kolben des Hubverdrängers eine bestimmte, durch die Schwerkraft bewirkte Stellung
einnimmt. Solche Undichtigkeitsverluste treten vorherrschend dann auf, wenn im Bewegungswandler
große Kräfte übertragen werden sollen und dementsprechend auch hohe Drücke herrschen.
Der Einfluß von Druck und Temperatur auf das Druckmittel, im allgemeinen 01, und
die das Druckmittel umgebenden Wandungen können ebenfalls zur Abweichung von der
Sollstellung führen.
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In anderen Fällen sind Eingriffe in die Sollstellung bzw.
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in den Bewegungsablauf zwischen Ilubkolbenverdränger und Verdränger,
z.B. bei Motoren mit innerer oder äußerer Verbrennung,
beabsichtigt
und erforderlich, um das Volumen des Druckmittels zu ändern und dadurch die Totpunktlagen
des Hubkolbens in seiner relativen Lage zum Gehäuse zu verschieben. Bei Motoren
mit äußerer Verbrennung kann es erwünscht sein, durch eine Änderung des Verdränger-Hubvolumens
eine Verstellung des Kolbenhubes im Hubverdränger herbeizuführen, ohne dabei die
relative Zuordnung der Totpunktlage des Hubkolbens zum Gehäuse zu verändern, oder
um zu erreichen, daß der verstellte Kolbenhub um eine Mittellage frei schwingt.
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Es sind bereits rerschiedene Vorrichtungen bekannt geworden, die den
Gleichlauf zwischen einem Hubverdränger und einem Rotationsverdränger bei den Bewegungswandlern
gewährleisten oder verbessern sollen. Derartige Vorrichtungen sind mit mechanischen,
mechanisch-elektrischen, elektrischen oder druckluftbetätigten Regeleinrichtungen
ausgerüstet und im allgemeinen aufwendig und störungsanfällig. Es wurde auch schon
vorgeschlagen, in den Zylinderwandungen eines Hubverdrängers im Bereich der Totpunktlagen
Überströmkanäle anzuordnen, die beim Überfahren freigegeben werden, so daß eine
gewisse Menge des Druckmittels aus dem Übertragungssystem herausfließen kann. Bei
höheren Hubfrequenzen werden jedoch von dem Hubverdränger diese Überströmkanäle
jeweils nur so kurzzeitig freigegeben, daß ein zu großer Durchflußquerschnitt für
eine wirksame Regelung erforderlich würde. Regeleinrichtungen dieser bekannten Art
haben außerdem
den Nachteil, daß der Hubkolben nur in einer Regelrichtung
korrigiert werden kann, nämlich nur dann, wenn die Soll-Totpunktlage von dem Kolben
überfahren wird; bei Nichterreichen des Totpunktes ist prinzipiell eine solche Regeleinrichtung
unwirksam.
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Ferner ist es bereits bekannt, ein parallel zur Ilubkolbenmittelachse
fest am Kolben angebautes Gestänge vorzusehen, das aus dem Hubkolbenrückraum herausgeführt
und dort zur Ansteuerung und Betätigung mechanischer, elektrischer oder induktiver
Istwertgeber verwendet wird. Solche Gestänge haben u.a. den Nachteil, daß sie die
bei hydrostatischen Bewegungswandlern im allgemeinen mögliche, aus verschiedenen
Gründen vorteilhafte freie Drehung des Hubkolbens um seine Längsachse verhindern.
Die Abdichtung des am Hubkolben angebauten Gestänges gegenüber dem Zylinderblock
unterliegt außerdem - zusätzlich zu den vom Hubkolben vorgegebenen Gleitgeschwindigkeiten
- auch Desachsierungen innerhalb der notwendigen Einbauspiele zwischen Hubkolben
und Zylinderbuchse.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zu entwickeln, mit der unter Vermeidung der zuvor beschriebenen Nachteile bekannter
Anordnungen die Kolbenstellung und insbesondere die Totpunktlage der Kolben eines
Hubverdrängers mit hoher Genauigkeit ermittelt werden kann. Die gesuchte Vorrichtung
sollte auch für Verdränger mit hohen liubfrequenzen von z.B. 40 Hz geeignet sein.
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Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe mit der im beigefügten
Anspruch 1 beschriebenen Vorrichtung in überraschend einfacher Weise gelöst werden
kann Erfindungsgemäß wird nämlich vorgeschlagen, den hubkolben des Hubverdrängers
mit einem hohlzylinderförmigen Rohr starr zu verbinden, das im Druckmittelraum konzentrisch
zur Hubkolbenlängsachse angeordnet und als Dämpfungsrohr einer Meßspulenanordnung
ausgebildet ist, die zentrisch in das Dämpfungsrohr hineinragt und mit dem Kolbengehäuse
starr verbunden ist Eine vorteilhafte Ausführungsart der Erfindung besteht darin,
daß die Meßspulenanordnung im wesentlichen aus zwei gleichen Spulen für den Regelbereich
des oberen Totpunktes und aus einer anschließenden, langgestreckten Spule mit stufenförmiger
Wicklung für den übrigen Regelbereich der Kolbenstellung besteht, wobei sämtliche
Spulen temperaturkompensiert ausgebildet und in einem zylinderförmigen Druckgehäuse
angeordnet sind Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich bei niedrigen und
hohen llubfrequenzen (von z,B. 40 Hz) die Kolbenstellung derart genau ermitteln,
daß bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung - in Verbindung mit herkömmlichen
Regeleinrichtungen, wie sie nachstehend im Detail beschrieben werden - ein-e Genauigkeit
von + 0,15 % für den Bereich der oberen Totpunkteinstellung ohne Schwierigkeiten
erreicht wurde; bei einer Abweichung von + 0,035 % von der Soll-Totpunktlage sprach
die Regeleinrichtung bereits an
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
besitzt gegenüber den bekannten Vorrichtungen den sehr wesentlichen Vorteil, daß
die Messung bzw die Istwertaufnahme berührungs- und verschleißlos innerhalb des
unter periodisch wechselndem Druck stehenden Druckmittelraums erfolgt; Gehäuse-Durchführungen
und die damit verbundenen Schwierigkeiten der Abdichtung eines Gestänges gegenüber
dem Gehäuse werden also vermieden.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Druckmittelvolumen
immer dann korrigiert wird, wenn die Abweichung des Hubkolbens von dem eingestellten
Sollwert -gleich in welcher Richtung - einen bestimmten einstellbaren Wert von z.B.
# 0,035 % erreicht.
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Mit der in Anspruch 2 beschriebenen Vorrichtung läßt sich eine mit
zunehmender Abweichung bzw. Ablage des Istwertes von dem eingestellten Sollwert
überproportional arbeitende Regelung verwirklichen, mit dem Ergebnis, daß sich einerseits
bei relativ großen Abweichungen vom Sollwert eine besonders hohe Verstellgeschwindigkeit
des ltubkolbens ergibt, während andererseits bei verhältnismäßig geringen Abweichungen
vom Sollwert die erforderliche "Feinfühligkeit" der Nachstellung nicht verloren
geht Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen
aus den folgenden näheren Erläuterungen
sowie aus der Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen hervor,
Es zeigen in schematischer Vereinfachung Fig 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung
in einem hydrostatischen Triebwerk einer Verbrennungskraftmaschine, zusammen mit
dem Blockschaltbild der zugehörigen Regeleinrichtung, und Fig 2 in vergrößerter
Teildarstellung, im Schnitt und mit weiteren Datails den in Fig 1 mit gestrichelter
Linie eingekreisten Teil des Triebwerks Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
der Erfindung bewegt sich in dem Zylinder 1 einer Verbrennungskraftmaschine ein
Kolben 2, der mit einem Hubkolbenverdrån ger verbunden isto Der Kolben 2 ist über
eine Pleuelstange 3 mit einem weiteren Kolben 5 starr verbunden, In einer axialen
Bohrung, die sich von dem Kolben 5 bis in die Pleuelstange 3 hineinerstreckt, sitzt
ein hohlzylinderförmiges Rohr 4, das als Dämpfungsrohr für eine hier später beschriebene
Meßspulenan ordnung dient Der Kolben 5 und mit ihm das starr verbundene Rohr 4 werden
in einer Buchse 6 des Hubkolbenverdrängers bewegt Diese Buchse 6 ist über eine Leitung
7 mit einem Verdränger 8 verbunden, dessen Antriebswelle mit 9 bezeichnet ist Ein
Istwertaufnehmer 10 - vergleiche auch Figur 2 - besteht im Regelbereich des oberen
Totpunktes des Kolben aus zwei
je 15 mm langen, temperaturkompensierten
Spulen 11 a und 11 b mit 1050 Windungen je Spule aus 0,12 mm dickem Kupferdraht,
der eine hochwärmefeste Lackierung trägt, Die beiden Spulen 11 a und 11 b sind auf
einen Kern 12 aus Automatenstahl mit einem Durchmesser von 2,7 mm gewickelt.
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Für den sich anschließenden Regelbereich bis zum unteren Totpunkt
ist eine durch stufenförmige Wicklung in sich temperaturkoWpensierte Spule 13 mit
1000 Windungen aus 0,18 mm dickem Kupferdraht auf einem Automatenstahlkern mit 5
mm im Durchmesser vorhanden Ein Druckgehäuse 14 aus unmagnetischem Stahl schützt
den Spulenkörper vor den im Druckmittelraum 7 wirkenden Drücken.
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Der Istwertgeber 10 ist zu dem Dämpfungsrohr 4 zentrisch ausgerichtet
und fest an der Außenwand der Leitung 7 angeflanscht. Ein elektrisches Kabel 15
verbindet den Istwertaufnehmer 10 mit einem Regler 16, der wiederum über Kabel 47
bzw. 18 mit einem Sollwertgeber 19 für den Anlaßvorgang bzw, mit einem Sollwertgeber
20 für den Betrieb des Motors verbunden ist. Der Reglerausgang ist über ein Kabel
21 mit einem Impulsgeber 22 verbunden, an den sich über das Verbindungskabel 23
ein Stellglied 24 anschließt.
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Vor dem Anlaßvorgang nach längerem Stillstand eines Bewegungswandlers
ist es in der Praxis notwendig, zunächst die Stellung des Hubkolbens 2 in seiner
Zuordnung zu den Verdrängern 8 zu überprüfen und gegebenenfalls zu korrigieren.
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Aus diesem Grunde sind in der Regelschaltung nach Figur 1 dem Sollwertgeber
20, der für den normalen Betrieb vorhanden ist, der mit der Verdrängerwelle gekoppelte
Sollwertgeber 19 für den Anlaßvorgang derart vorgeschaltet, daß vor dem Anlaufen
des Bewegungswandlers erst die richtige Phasenlage des hubkolbens 2 zu dem Verdränger
8 eingestellt wird Des weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn gemäß
der in Figur 1 dargestellten Regelung, die hier in Verbindung mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Regelung der Kolbenstellung eines Hubverdrängers verwendet wird,
zwischen einer Druckmittelförderpumpe 25 und einem als Kolbenschieber ausgebildeten
Stellglied 24 eine Druckspeichereinheit mit Rückschlagelement, Druckventil und integriertem
Schalter für drucklosen Umlauf der Pumpe bei Erreichen des eingestellten Einspeisedruckes
eingebaut isto Die hier in der Einheit 26 zusammengefaßten Druck- und Rückschlagelemente
und der Hydrospeicher 27 werden aus einem Vorratsbehälter 29 mit Druckmittel versorgt
Das Stellglied 24 ist über die Leitung 28 mit der Leitung 7 und damit mit dem Druckmittelraum
verbunden Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, nur dann in den Druckmittelraum
einzuspeisen, wenn der eingestellte Druck der Pumpe 25 höher als der im Druckmittelraum
wirkende Druck liegt.
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Die gesamte Regelung nach Figur 1 in Verbindung mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Erfassung der Kolbenstellung wirkt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
wie folgt Die Spulen 11 a, 11 b und 13 bilden zusammen mit einem in dem Regler 16
angeordneten Transformator eine Brückenschaltung. Das mit dem Hubkolben 2 fest verbundene
Dämpfungsrohr 4 deckt in jeder möglichen ubkolbenstellung die Spule 11 a ab. Je
nach Stellung der Unterkante des Dämpfungsrohrs 4 über eine der beiden Spulen 11
b und 13 ergibt sich eine Änderung der Spuleninduktivität und damit eine Änderung
des Brückengleichgewichts. Die der Brückenschaltung entnommene Istwert-Spannung
ist damit direkt dem Kolbenweg proportional, und wird im Regler 16 mit einer von
dem Sollwertgeber 20 vorgegebenen und der Sollstellung des Kolbens 2 proportionalen
Spannung verglichen. Bei einer positiven oder negativen Abweichung der Iststellung
des Hubkolbens 2 von der vorgegebenen Sollstellung ergibt sich dadurch eine positive
oder negative Regel spannung, die im Impulsgeber 22 zur Erzeugung eines Stellsignals
führt, daß über das Kabel 23 in das Stellglied 24 weitergeleitet wird0 Im Stellglied
24 wird nun je nach Art des Signals eine der Abweichung proportionale Zu- oder Abfuhr
von Druckmedium bewirkt.