EP2430310B1

EP2430310B1 - Kolbenmaschine, insbesondere flüssigkeitskolbenmaschine

Info

Publication number: EP2430310B1
Application number: EP10710305A
Authority: EP
Inventors: Christian Friedrich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2010-03-22
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2030-03-22
Also published as: CN102422021A; WO2010130495A1; US20120036992A1; DE102009003066A1; EP2430310A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, insbesondere eine Flüssigkeitskolbenmaschine, mit mehreren Kolbeneinheiten, die geometrisch bedingt unterschiedlich große Fördervolumen aufweisen und zur diskreten Einstellung eines Gesamtfördervolumens der Kolbenmaschine individuell abstellbar sind.

Stand der Technik

Kolbenmaschinen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Kolbenmaschinen werden in vielen Bereichen der Technik als Pumpen und/oder als Motoren eingesetzt. Zur Erzeugung eines variablen Volumenstroms beziehungsweise -volumens, gegebenenfalls auch eines variablen Drucks (Pumpe) beziehungsweise eine Drehzahl und Drehmoment (Motor), sind unterschiedliche Prinzipien bekannt. Gängige Bauarten zur kontinuierlichen Veränderung/Einstellung des Fördervolumens der Kolbeneinheiten sind beispielsweise Kolbenmaschinen mit einer Schrägscheibe, einer Schrägachse oder einer Taumelscheibe. Dabei wird durch eine Winkelverstellung der obere und der untere Totpunkt der Kolbenhübe variiert und dadurch das Fördervolumen kontinuierlich verstellt. Jedoch weisen derartige Ausführungsformen einen geringen Wirkungsgrad insbesondere im Teillastbereich auf. Dieser geringe Wirkungsgrad erklärt sich im Wesentlichen durch die Leckage an der entsprechenden Steuer-/ Schräg- oder Taumelscheibe, der Reibung an der Steuer-/ Schräg- oder Taumelscheibe sowie durch einen ständig notwendigen Steuerstrom zum Halten von Steuer-/-Schräg- oder Taumelscheibe. Neben einer kontinuierlichen Veränderung des Fördervolumens oder der Förderzeit der Kolbeneinheiten ist es auch bekannt, diskrete Veränderungen des Fördervolumens durch das Abstellen beziehungsweise Abschalten einzelner Kolbeneinheiten durchzuführen.
Aus der EP 1 306 553 A2 ist eine Kolbenmaschine in Form einer Kraftstoffpumpe bekannt, bei der einzelne Kolbeneinheiten abgestellt und somit das Gesamtfördervolumen diskret eingestellt werden kann, wobei zum Erhöhen der Einstellmöglichkeiten die Fördervolumen der einzelnen Kolbeneinheiten unterschiedlich groß ausgebildet sind.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine zeichnet sich durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aus. Danach ist die Kolbenmaschine derart ausgebildet, dass das größere Fördervolumen einer der Kolbeneinheiten jeweils doppelt so groß ist wie das nächst kleinere Fördervolumen einer anderen der Kolbeneinheiten. Es ist also vorgesehen, dass die Kolbeneinheiten unterschiedlich große Fördervolumen aufweisen und dass die Kolbeneinheit mit einem größeren Fördervolumen derart ausgebildet ist, dass ihr Fördervolumen doppelt so groß ist, wie das der anderen Kolbeneinheit, die das nächst kleinere Fördervolumen aufweist. So ist beispielsweise bei drei vorgesehenen Kolbeneinheiten das Fördervolumen der zweiten Kolbeneinheit doppelt so groß wie das der ersten, und das Fördervolumen der dritten Kolbeneinheit doppelt so groß wie das der zweiten Kolbeneinheit. Entsprechendes ergibt sich für eine andere beliebige Anzahl von Kolbeneinheiten der Kolbenmaschine. Hierdurch ist es möglich, das Gesamtfördervolumen der Kolbenmaschine diskret in äquidistanten Stufen zu verändern beziehungsweise einzustellen. Bei dem oben genannten Ausführungsbeispiel mit drei Kolbeneinheiten ist es möglich, acht unterschiedliche Gesamtfördervolumen von Null bis zum Siebenfachen des Fördervolumens der Kolbeneinheit mit dem kleinsten Fördervolumen einzustellen. Zweckmäßigerweise werden dazu die Kolbeneinheiten derart abgestellt, dass die Stufe bei der Erhöhung oder Verringerung des Gesamtfördervolumens jeweils dem Fördervolumen der Kolbeneinheit mit dem kleinsten Fördervolumen entspricht. Dadurch wird eine Kolbenmaschine geschaffen, deren Gesamtfördervolumen in äquidistanten Stufen variabel einstellbar ist, und die auch im Teillastbereich einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
Weiterhin ist vorgesehen, dass jeder Kolbeneinheit ein schaltbares Leerlaufventil zum Abstellen der Kolbeneinheit zugeordnet ist. Das Leerlaufventil ist derart gestaltet, dass durch Öffnen des Leerlaufventils verhindert wird, dass ein Druck in der Kolbeneinheit aufgebaut und damit Flüssigkeit gefördert wird. Das Leerlaufventil lässt also das in der Kolbeneinheit befindliche Volumen "leer laufen". Vorteilhafterweise ist das Leerlaufventil weiterhin derart gestaltet, dass bei Öffnen des Leerlaufventils gleichzeitig der Austrittsquerschnitt der Kolbeneinheit, durch den das zu fördernde Volumen gepumpt werden soll verschlossen wird. Alternativ kann das Leerlaufventil auch derart ausgestaltet sein, dass es ein Einströmen von Flüssigkeit in die Kolbeneinheit verhindert, so dass die Kolbeneinheit leer läuft. Natürlich sind auch ganz andere Abschaltmechanismen für die jeweilige Kolbeneinheit denkbar. Beispielswiese kann jede Kolbeneinheit mittels einer eigenen Antriebswelle angetrieben werden, sodass die Antriebswellen einzeln angesteuert beziehungsweise abgestellt werden können.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Kolbeneinheiten einen dem entsprechenden Leerlaufventil zugeordneten Bypass-Kanal auf. Dieser führt das unerwünschte, aber dennoch durch die Kolbeneinheit geförderte Volumen an einem Verbraucher vorbei zurück, sodass es der Kolbenmaschine "unverbraucht" wieder zugeführt wird.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Kolbenmaschine mindestens drei Kolbeneinheiten aufweist. Dadurch ist es bereits möglich, wie oben bereits gesagt, acht unterschiedliche Gesamtfördervolumen der Kolbenmaschine in äquidistanten Schritten/Stufen einzustellen.
Zweckmäßigerweise ist die Kolbenmaschine als Radial- und/oder Reihenkolbenmaschine ausgebildet. Dadurch werden sowohl Reibverluste als auch Verluste aufgrund von Leckagen verringert und ein hoher Wirkungsgrad der Kolbenmaschine insbesondere im Teillastbereich gewährleistet.
Vorteilhafterweise weist jede Kolbeneinheit mindestens einen in einem Zylinder axial verlagerbaren Kolben auf. Es ist auch denkbar, dass zu jeder Kolbeneinheit zwei Zylinder mit jeweils einem darin axial verlagerbaren Kolben vorgesehen sind. Diese bilden dann eine Kolbengruppe. Entsprechend kann das Gesamtfördervolumen durch Verändern des Kolbengruppen-Fördervolumens eingestellt werden. So ist es weiterhin auch denkbar, dass von einer Kolbengruppe lediglich das Fördervolumen einer der Kolben-Zylinder-Einheiten abgestellt wird. Hierdurch sind weitere Abstufungen zur Einstellung des Gesamtfördervolumens der Kolbenmaschine möglich.
Zweckmäßigerweise werden die unterschiedlich großen Fördervolumen der Kolbeneinheiten durch unterschiedlich große Querschnittsflächen der Zylinder und Kolben bestimmt. Durch diese geometrische Gestaltung ist es auf einfache Art und Weise möglich, die unterschiedlichen Fördervolumen wie oben beschrieben vorzusehen und zu gewährleisten.
Alternativ oder zusätzlich können die unterschiedlich großen Fördervolumen durch unterschiedlich große Kolbenhübe der Kolbeneinheiten bestimmt werden.
Auch wenn oben stehend im Wesentlichen die Funktion der Kolbenmaschine als Kolbenpumpe beschrieben wurde, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen auch auf Kolbenmaschinen, die als Kolbenmotor ausgebildet sind, anwendbar sind.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigen

Figur 1: ein Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Kolbenpumpe in einer schematischen Darstellung und
Figuren 2 bis 9: einstellbare Gesamtfördervolumen der Kolbenpumpe.

Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Kolbenmaschine 1 für Flüssigkeiten, die als Reihen-Kolbenpumpe 2 ausgebildet ist. Die Kolbenmaschine 1 weist dazu drei in einem Gehäuse ausgebildete Zylinder 3, 4 und 5 auf, in denen jeweils ein Kolben 6, 7 und 8 axial verschiebbar gelagert ist. Die Kolben 6, 7, 8 werden dabei mittels einer antreibbaren Kurbelwelle 9 in den Zylindern 3, 4, 5 verschoben. Der Zylinder 3 und der Kolben 6, der Zylinder 4 und der Kolben 7 sowie der Zylinder 5 und der Kolben 8 bilden dabei jeweils eine Kolbeneinheit 10, 11 beziehungsweise 12 der Kolbenmaschine 1. Die Kolbeneinheiten 10, 11 und 12 weisen dabei unterschiedliche Fördervolumen auf, die durch die Größe der jeweiligen Querschnittsfläche der Zylinder 3, 4, 5 sowie der Kolben 6, 7, 8 bestimmt werden. Vorteilhafterweise ist dabei das Volumen V₁₁ der Kolbeneinheit 11 doppelt so groß wie das Volumen V₁₀ der Kolbeneinheit 10, und das Volumen V₁₂ der Kolbeneinheit 12 doppelt so groß wie das Fördervolumen V₁₁ der Kolbeneinheit 11. Somit ist also jeweils das größere Fördervolumen einer der Kolbeneinheiten jeweils doppelt so groß, wie das nächst kleinere Fördervolumen einer anderen Kolbeneinheit.
Allgemein lässt sich das Fördervolumen der Kolbeneinheiten 10, 11, 12 somit ausdrücken als $V_{i} = 2 \cdot V_{i - 1},$
wobei i der Anzahl der Kolbeneinheiten entspricht.
Jeder der Kolbeneinheiten 10, 11, 12 beziehungsweise der Zylinder 3, 4, 5 ist dabei ein Leerlaufventil 13, 14 beziehungsweise 15 zugeordnet. Von jedem der Leerlaufventile 13, 14 und 15 führt ein Bypass-Kanal 16, 17 und 18 das von der entsprechenden Kolbeneinheit 10, 11 beziehungsweise 12 geförderte Volumen "ungenutzt" aus der Kolbenmaschine 1 heraus, sofern das jeweilige Leerlaufventil 13, 14, 15 entsprechend geschaltet beziehungsweise geöffnet ist. Zweckmäßigerweise werden die Bypass-Kanäle 16, 17 und 18 zu einem gemeinsamen - hier nicht dargestellten - (Rücklauf-)Kanal zusammengeführt. Durch Öffnen der Leerlaufventile 13, 14 und/oder 15, kann somit die jeweilige Kolbeneinheit 10, 11 beziehungsweise 12 abgestellt werden, sodass das von ihr erbrachte Fördervolumen nicht gepumpt sondern ungenutzt weitergeleitet beziehungsweise zurückgeleitet und dadurch nicht dem Gesamtfördervolumen der Kolbenmaschine 1 zugeführt wird.
Durch entsprechendes Abstellen der Kolbeneinheiten 10, 11, 12 beziehungsweise Einstellen der Leerlaufventile 13, 14, 15 lässt sich somit auf einfache Art und Weise das Gesamtfördervolumen V_G der Kolbenmaschine 1 diskret in äquidistanten Stufen verstellen. Dies lässt sich am besten mittels der folgenden Formel darstellen: $V_{G} = \sum_{i = 1}^{n} (x_{i} \cdot V_{10} \cdot 2^{i - 1}) mit x_{i} \in \{0; 1\} und n \in N (n = Anzahl der Kolbeneinheiten) .$
Der jeweilige Sprung zwischen den unterschiedlichen Gesamtfördervolumen entspricht dabei aufgrund der oben beschriebenen vorteilhaften Ausbildung der Kolbenmaschine 1 jeweils dem Fördervolumen der Kolbeneinheit mit dem kleinsten Fördervolumen, vorliegend also V₁₀. Das maximale Gesamtfördervolumen V_G,max entspricht dabei: $V_{G, \max} = \sum_{i = 1}^{n} (V_{10} \cdot 2^{i - 1}) = V_{10} \cdot (2^{n} - 1),$
vorliegend also $V_{G, \max} = \sum_{i = 1}^{3} (V_{10} \cdot 2^{i - 1}) = V_{10} \cdot 2^{0} + V_{10} \cdot 2^{1} + V_{10} \cdot 2^{2} = 7 \cdot V_{10} .$
Die Figuren 2 bis 9 zeigen jeweils das Fördervolumen der Kolbeneinheiten 10, 11, 12 sowie das aus der entsprechenden Einstellung der Leerlaufventile 13, 14 und 15 erbrachte Gesamtfördervolumen der Kolbenmaschine 1 beziehungsweise Reihenkolbenpumpe 2. Auf der linken Seite ist dabei jeweils das von der jeweiligen Kolbeneinheit 10, 11, 12 erbrachte (gestrichelt) sowie das mögliche (blank) Fördervolumen der Kolbeneinheiten 10, 11 und 12. Auf der rechten Seite ist entsprechend jeweils das resultierende Gesamtfördervolumen V_G dargestellt.
Figur 2 zeigt dabei die entsprechenden Fördervolumen für den Fall, dass sämtliche Bypass-Kanäle 16, 17 und 18 mittels des entsprechenden Leerlaufventils 13, 14 und 15 freigegeben beziehungsweise alle Kolbeneinheiten 10, 11, 12 abgestellt sind, sodass von dem möglichen Fördervolumen keines genutzt und das Gesamtfördervolumen V_G gleich Null ist.
Wird das Leerlaufventil 13 geschlossen, die Kolbeneinheit 10 also aktiviert, wie in der Figur 3 dargestellt, so entspricht das Gesamtfördervolumen V_G dem Fördervolumen der Kolbeneinheit 10.
Gemäß Figur 4 ist die Kolbeneinheit 10 abgestellt und die Kolbeneinheit 11 aktiviert, sodass das resultierende Gesamtfördervolumen dem Fördervolumen der Kolbeneinheit 11 und somit dem doppelten Fördervolumen der Kolbeneinheit 10 entspricht.
Wird gemäß Figur 5 die Kolbeneinheit 10 hinzugeschaltet, so wird das resultierende Gesamtfördervolumen V_G um das Fördervolumen V₁₀ der Kolbeneinheit 10 ergänzt, also um eine weitere Stufe erhöht.
Durch Abstellen der Kolbeneinheiten 10 und 11 und Aktivieren der Kolbeneinheit 12 ergibt sich ein Gesamtfördervolumen V_G = V₁₂, das wiederum um eine Stufe größer als das vorhergehende Fördervolumen ist.
Um das Gesamtfördervolumen um eine weitere Stufe zu erhöhen, wird gemäß Figur 7 die Kolbeneinheit 10 hinzugeschaltet.
Um das Fördervolumen um noch eine weitere Stufe zu erhöhen, wird gemäß Figur 8 die Kolbeneinheit 10 abgestellt und die Kolbeneinheit 11 aktiviert.
Die Figur 9 zeigt die Einstellung der Kolbenmaschine 1 beziehungsweise der Reihenkolbenpumpe 2 für den Fall, dass die maximale Gesamtförderleistung U_G,max eingestellt ist. Dazu sind alle drei Kolbeneinheiten 10, 11, 12 aktiviert beziehungsweise keine der Kolbeneinheiten 10, 11, 12 abgestellt. In diesem Fall gilt V_G = V_G,max = 7 · V₁₀.
Mittels der vorteilhaft ausgebildeten Kolbenmaschine 1 ist es somit auf einfache Art und Weise möglich, ein Gesamtfördervolumen V_G diskret in äquidistanten Schritten (V₁₀) einzustellen, wobei bereits bei drei unterschiedlich ausgebildeten Kolbeneinheiten 10, 11, 12 acht unterschiedliche Gesamtfördervolumen eingestellt werden können, bei gleichbleibend hohem Wirkungsgrad.

Claims

Kolbenmaschine (1), insbesondere Flüssigkeitskolbenmaschine, mit mehreren Kolbeneinheiten (10,11,12), die geometrisch bedingt unterschiedlich große Fördervolumen (V₁₀,V₁₁,V₁₂) aufweisen und zur diskreten Einstellung eines Gesamtfördervolumens (V_G) der Kolbenmaschine (1) individuell abstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das größere Fördervolumen (V₁₁,V₁₂) einer der Kolbeneinheiten (11,12) jeweils doppelt so groß ist wie das nächst kleinere Fördervolumen (V₁₀,V₁₁) einer anderen der Kolbeneinheiten (10,11).
Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kolbeneinheit (10,11,12) ein schaltbares Leerlaufventil (13,14,15) zum Abstellen zugeordnet ist.
Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbeneinheiten (10,11,12) einen dem entsprechenden Leerlaufventil (13,14,15) zugeordneten Bypass-Kanal (16,17,18) aufweisen.
Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens drei Kolbeneinheiten (10,11,12).
Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Radial- und/oder Reihenkolbenmaschine, insbesondere als Radial- oder Reihenkolbenpumpe (2), ausgebildet ist.
Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kolbeneinheit (10,11,12) mindestens einen in einem Zylinder (3,4,5) axial verlagerbaren Kolben (6,7,8) aufweist.
Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlich großen Fördervolumen (V₁₀,V₁₁,V₁₂) durch unterschiedlich große Querschnittsflächen der Zylinder (3,4,5) und Kolben (6,7,8) bestimmt werden.
Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlich großen Fördervolumen (V₁₀,V₁₁,V₁₂) durch unterschiedlich große Kolbenhübe bestimmt werden.