EP3622169B1

EP3622169B1 - Antrieb einer pumpe

Info

Publication number: EP3622169B1
Application number: EP18734457.7A
Authority: EP
Inventors: Ignacio Diaz Diaz; Markus Knorr
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2017-07-11
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2038-06-13
Also published as: EP3428441A1; EP3622169A1; WO2019011561A1; US20200378349A1; US11085409B2; CN110869604A

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpe, insbesondere Kraftstoffpumpe, mit wenigstens einem Arbeitsraum, in welchem ein Kolben mittels eines Antriebssystems den Arbeitsraum in einem Zylinder begrenzt und ein im Arbeitsraum befindliches Fluid, insbesondere Kraftstoff, mit Druck beaufschlagt.
Wechselnde Kraftanforderungen und ein Betrieb unter Dauerlast verlangen nach Pumpen, insbesondere Kraftstoffpumpen, die einerseits widerstandsfähig, andererseits agil sind. Zudem sollen auch Ausfallzeiten möglichst gering gehalten werden, da diese einen hohen Kostenfaktor mit sich bringen. Daher werden Antriebe von Kraftstoffpumpen häufig mit rotatorischen Motoren und mechanischen Übertragungskomponenten - beispielsweise Getriebe und Kurbelwellen - ausgestattet. Besonders die mechanischen Übertragungskomponenten sind aber anfällig für Störungen und wartungsintensiv. Zudem ist ein derartiges System sehr komplex.
Daher hat die Patentschrift DE102007038529A1 eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit mindestens einem Arbeitsraum zum Gegenstand, in welchem Kraftstoff mit Hochdruck beaufschlagt wird. Die Kraftstoffhochdruckpumpe ist antriebsmäßig mit einem Linearmotor gekoppelt.
Die Patentschrift DE102014202937A1 entwickelt diesen Ansatz weiter und beschreibt eine Pumpe, die einen Pumpenzylinderkopf mit einem Pumpenzylinder und einen in einer in den Pumpenzylinder eingelassenen Zylinderführung translatorisch auf und ab bewegbaren Pumpenstößel aufweist. Der Pumpenstößel wirkt antriebsseitig mit einem Linearantrieb zusammen. Der Linearantrieb ist mechanisch spielfrei mit dem Pumpenstößel verbunden.
DE 10 2008 036 528 zeigt ein Verfahren zum Betrieb einer mehrpulsigen Kolbenpumpe, bei dem zumindest zwei Linearmotoren als Antrieb fungieren und jeder Linearmotor auf zumindest einen Kolben wirkt und die Linearmotoren zur Pulsationskontrolle mittels einer Steuereinheit koordiniert werden.
Wird nur ein einziger konventioneller Linearmotor als Antrieb für eine Pumpe verwendet, muss dieser jedoch speziell für eine Pumpenart entworfen und gebaut werden. Zudem sind für Linearmotoren robuste Lager nötig, die hohe Anzugskräfte aufnehmen können. Eine Konstruktion eines Linearmotors ist nur rentabel, wenn dieser in einem Produkt mit hohen Stückzahlen eingesetzt wird. Der Linearmotor kann auch so ausgelegt werden, dass er angeforderte Nennwerte überschreitet. Pumpenspezifische oder überdimensionierte Linearmotoren sind generell jedoch sehr teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen pumpenspezifischen, aber dennoch günstigen Antrieb für Kraftstoffpumpen zu schaffen.
Die Lösung der Aufgabe gelingt durch eine Pumpe, insbesondere Kraftstoffpumpe, mit wenigstens einem Arbeitsraum, in welchem ein Kolben mittels eines Antriebssystems den Arbeitsraum in einem Zylinder begrenzt und ein im Arbeitsraum befindliches Fluid, insbesondere Kraftstoff, mit Druck beaufschlagt, wobei das Antriebssystem wenigstens zwei Linearmotoren umfasst,
wobei die das Antriebssystem (3) bildenden Linearmotoren (la-le) elektrisch und/oder mechanisch parallel geschaltet sind, wobei eine mit dem Kolben (6) verbundene Kolbenstange (7) eine Kraft, insbesondere Vorschubkraft, des Antriebssystems (3) aus Linearmotoren bündelt.
Linearmotoren werden vorzugsweise als Direktantriebe ausgeführt und zeichnen sich daher durch geringe Geräuschemissionen und eine hohe Leistungsdichte aus. Sie ermöglichen translatoriche Bewegungen ohne Getriebe, weshalb sie als verschleiß- und wartungsarm gelten. Ein Entfall des Getriebes schafft zudem die Voraussetzung für eine kompakte Bauweise.
Eine Entwicklung nur eines, insbesondere eines großen, Linearmotors ist sehr teuer. Da sich die Entwicklung und Konstruktion eines Linearmotors erst ab einer gewissen Stückzahl lohnt - man spricht hierbei von einem Serienprodukt -, umfasst das Antriebssystem einer Pumpe, insbesondere einer Kraftstoffpumpe, erfindungsgemäß wenigstens zwei Linearmotoren. Die Linearmotoren sind vornehmlich baugleich und daher serientauglich. Dies bietet zudem den Vorteil, dass Linearmotoren als Ersatzteile auf Lager gehalten und im Bedarfsfall schnell ausgetauscht werden können.
Durch Variation einer Linearmotorenanzahl gelingt eine Skalierung von Vorschubkraft und Leistung. Somit können hohe Stückzahlen eines Linearmotors gefertigt werden, wobei verschiedene Anforderungen an Leistung und/oder Vorschubkraft bedient werden können. Durch die Variation der Linearmotorenanzahl kann zudem eine Redundanz ermöglicht werden, indem mehr Linearmotoren verbaut werden als eigentlich gefordert sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung treiben wenigstens 20 elektrisch und/oder mechanisch parallel geschaltete Linearmotoren die Kraftstoffpumpe an.
Ein besonders sicherer und zuverlässiger Betrieb, der zudem ein ausreichendes Maß an Skalierungsschritten ermöglicht, wird mit einem Antriebssystem aus 40 bis 50 Linearmotoren erreicht. Jedoch können auch 128 und mehr Linearmotoren ein Antriebssystem bilden.
Bei kleineren Pumpen ist auch ein Antriebssystem mit einer geringeren Anzahl an Linearmotoren möglich. Eine Parallelschaltung mehrerer Linearmotoren dient auch einer Erhöhung der Vorschubkraft. Um eine Komplexität zu reduzieren, sind die das Antriebssystem bildendenden Linearmotoren vorzugsweise parallel auf einem Träger angeordnet.
Vorteilhaft weist ein jeder Linearmotor eine mechanische Leistung zwischen 40 kW und 85 kW auf und stellt eine Vorschubkraft von bis zu 20 kN bereit.
Das Antriebssystem weist vorzugsweise wenigstens ein Messsystem, wenigstens eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Linearmotoren und wenigstens ein System zur Datenübertragung auf. Das Messsystem ermittelt vorzugsweise eine Position und/oder Geschwindigkeit der Linearmotoren auf ihrem jeweiligen Fahrweg. Die Position und/oder Geschwindigkeit können auch über eine Spannungsbeobachtung im Linearmotor, vorzugsweise geberlos, realisiert werden.
Vorteilhaft weist das Antriebssystem genau eine Steuereinheit auf. Die Steuereinheit steuert das Antriebssystem an. Das Antriebssystem, das wenigstens zwei Linearmotoren umfasst, wirkt hierbei wie nur ein Linearmotor.
Die Steuereinheit erteilt dem Antriebssystem Befehle, insbesondere bezüglich der Geschwindigkeit. Zudem realisiert die Steuereinheit die bereits erwähnte Skalierung, indem sie bei geringerem Kraftbedarf nur eine gewisse Anzahl an Linearmotoren ansteuert. Die Daten, die beispielsweise Informationen zu Position und Geschwindigkeit enthalten, sowie die Daten, die Befehle an die Linearmotoren enthalten, werden mittels eines Systems zur Datenübertragung zwischen dem jeweiligen Linearmotor und dem Messsystem bzw. der Steuereinheit übertragen. Auch zwischen dem Messsystem und der Steuereinheit ist vorteilhaft ein System zur Datenübertragung ausgeführt. Zur Datenübertragung können verschiedene Bussysteme oder auch Industrial Ethernet eingesetzt werden.
Durch die Erfindung und einen damit verbundenen Entfall von teuren und wartungsintensiven mechanischen Übertragungskomponenten wie Getriebe und/oder Nockenscheibe und/oder Kurbelwelle wird eine mechanische Umsetzung stark vereinfacht. Zudem werden eine Montage und ein Handling erleichtert, da weniger sowie auch kleinere Teile angebunden werden müssen. Linearmotoren können als Ersatzteile auf Lager gehalten werden.
Tritt in einem der das Antriebssystem bildenden Linearmotoren ein Fehler auf, woraufhin dieser nicht länger funktionstüchtig ist, kann die Pumpe weiterhin - wenn auch mit reduzierter Leistung - angetrieben werden, da die anderen Linearmotoren vom aufgetretenen Fehler nicht betroffen sind. Der fehlerbehaftete Linearmotor kann schnell und einfach ausgetauscht werden, was sich in einer hohen Maschinenverfügbarkeit positiv bemerkbar macht.
Zudem bietet die Erfindung die Möglichkeit, durch Verbauen einer größeren Anzahl an Linearmotoren als benötigt eine Redundanz im Antriebssystem aus Linearmotoren zu verwirklichen, indem wenigstens ein redundanter Linearmotor in das erfindungsgemäßen Antriebssystem eingefügt wird.
Für die Erfindung eignen sich sowohl Linearmotoren mit bewegtem Magneten, sogenannte Moving-Magnet-Linearmotoren, als auch Linearmotoren mit bewegter Spule, sogenannte Moving-Coil-Linearmotoren. Jedoch werden bevorzugt Linearmotoren mit bewegtem Magneten eingesetzt, da hierbei elektrische Zuführleitungen für den Linearmotor nicht bewegt werden müssen. Dies bietet den Vorteil, dass ein Fahrweg, auf welchem sich der Linearmotor bewegt, in einer beliebigen Länge ausgeführt sein kann.
Vorzugsweise ist jedem das Antriebssystem bildenden Linearmotor wenigstens ein Umrichter, insbesondere genau ein Umrichter, zugeordnet, der den jeweiligen Linearmotor mit einem elektrischen Energieversorgungsnetz koppelt. Dies ermöglicht unter anderem ein einfaches und schnelles Austauschen des Linearmotors im Fehlerfall.
Erfindungsgemäss bündelt eine mit dem Kolben verbundene Kolbenstange eine raft, insbesondere eine Vorschubkraft, die die Linearmotoren aufbringen.
Für den Antrieb einer Pumpe sind hohe Kräfte erforderlich, die nach einer großen Leistung verlangen. Eine Herstellung, ein Transport und eine Installation von als Einzelmotoren ausgeführten Linearmotoren sind sehr teuer und aufwändig. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass mittels des Antriebssystems die geforderten hohen Kräfte bewerkstelligt werden können, indem eine Kolbenstange die Kräfte mehrerer parallelgeschalteter, kleiner und serientauglicher Linearmotoren bündelt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels erläutert, bei dem die Figur ein Antriebssystem zum Antrieb einer Pumpe zeigt.
Die Figur zeigt ein Antriebssystem 3 aus fünf Linearmotoren 1a, 1b, 1c, 1d und 1e, die auf jeweils einem Fahrweg 2a, 2b, 2c, 2d und 2e vor- und zurückfahren können, um eine Pumpe 4, insbesondere eine Kraftstoffpumpe, anzutreiben. Die Linearmotoren sind parallel angeordnet und mechanisch derart verbunden, dass mittels einer Kolbenstange 7 die Kräfte der Linearmotoren 1a bis 1e gebündelt werden.
Ein jeder Linearmotor 1a bis 1e ist jeweils mit einem Umrichter 30a, 30b, 30c, 30d und 30e an ein elektrisches Energieversorgungsnetz 40 gekoppelt. Die Linearmotoren 1a bis 1e sind über elektrische Energieversorgungsleitungen 31a, 31b, 31c, 31d und 31e mit dem jeweils zugehörigen Umrichter 30a bis 30e verbunden. Die Umrichter 30a bis 30e sind über weitere elektrische Energieversorgungsleitungen 32a, 32b, 32c, 32d und 32e mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz 40 verbunden.
Die Kraft der Linearmotoren 1a bis 1e wird mittels einer Kolbenstange 7 gebündelt. Vorteilhaft bewegen sich die einzelnen Linearmotoren 1a bis 1e mit der gleichen Geschwindigkeit. Die Kolbenstange 7 bewegt auf diese Weise einen Kolben 6, der in einem Zylinder einer Pumpe 4 einen Arbeitsraum 5 begrenzt.
Im Arbeitsraum 5 befindliches Fluid, insbesondere Kraftstoff wie Öl oder Gas, wird dadurch mit Druck beaufschlagt. Hierzu wird in einem beispielhaften Ablauf Kraftstoff durch ein vorzugsweise von der Steuereinheit 21 über ein System zur Datenübertragung 25 angesteuertes Einlassventil 11 in den Arbeitsraum 5 eingezogen, indem das Antriebssystem 3 aus Linearmotoren 1a bis 1e - und somit jeder einzelne Linearmotor 1a bis 1e - von der Steuereinheit 21 den Befehl erhält, an ein hinteres, der Pumpe 4 abgewandtes Ende des jeweiligen Fahrwegs 2a bis 2e zu fahren. Der Arbeitsraum 5 erlangt dadurch seine maximale Größe und ein entstehender Unterdruck im Arbeitsraum 5 zieht den Kraftstoff über das Einlassventil 11 ein.
Ein Messsystem 20 erkennt, wann ein jeder Linearmotor 1a bis 1e eine Endposition erreicht hat, woraufhin die Steuereinheit 21 die Linearmotoren 1a bis 1e anhält. Das Messsystem 20 ist über ein System zur Datenübertragung 26 mit den Linearmotoren 1a bis 1e verbunden. Das Messsystem 20 erfasst vorteilhaft zudem eine Geschwindigkeit und Position eines jeden Linearmotors 1a bis 1e und kann diese Daten an die Steuereinheit 21 über ein System zur Datenübertragung zwischen Steuereinheit und Messsystem 27 übermitteln. Die Steuereinheit 21 hat daher die Möglichkeit zu reagieren, indem sie beispielsweise die Linearmotoren 1a bis 1e abbremst oder beschleunigt.
Vorzugsweise verschließt die Steuereinheit 21 bei Erreichen der Endposition der Linearmotoren 1a bis 1e sowohl das Einlassventil 11 als auch das Auslassventil 10. Hierzu ist ein optionales System zur Datenübertragung zwischen Steuereinheit 21 und Ventilen 29 verfügbar.
Das Antriebssystem 3 aus Linearmotoren 1a bis 1e wird von der Steuereinheit 21 veranlasst, in Richtung eines vorderen, der Pumpe zugewandten Endes des jeweiligen Fahrwegs 2a bis 2e zu fahren. Dadurch wird der im Arbeitsraum 5 befindliche Kraftstoff mit Druck beaufschlagt. Ist der Druck groß genug, öffnet die Steuereinheit 21 das Auslassventil 10. Vorteilhaft wird eine Höhe des Drucks mittels des Messsystems 20 über ein optionales System zur Datenübertragung zwischen Messsystem und Ventilen 28 erfasst.
Die Steuereinheit 21 und das Messsystem 20 können getrennte Recheneinheiten oder eine gemeinsame Recheneinheit aufweisen. Die Systeme zur Datenübertragung 25, 26, 27, 28 und 29 können mittels Leitungen oder auch drahtlos verbunden sein.
Das in der Figur beispielhaft gezeigte Antriebssystem 3 aus Linearmotoren weist nur fünf Linearmotoren 1a bis 1e auf. Erfindungsgemäß kann je nach Anwendungsgebiet jedoch auch eine größere oder kleinere Anzahl an Linearmotoren ein Antriebssystem aus Linearmotoren bilden.

Claims

Pumpe (4), insbesondere Kraftstoffpumpe, mit wenigstens einem Arbeitsraum (5), in welchem ein Kolben (6) mittels eines Antriebssystems den Arbeitsraum (5) in einem Zylinder begrenzt und ein im Arbeitsraum (5) befindliches Fluid, insbesondere Kraftstoff, mit Druck beaufschlagt, wobei das Antriebssystem (3) wenigstens zwei Linearmotoren (la-le) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass die das Antriebssystem (3) bildenden Linearmotoren (la-le) elektrisch und/oder mechanisch parallel geschaltet sind, wobei eine mit dem Kolben (6) verbundene Kolbenstange (7) eine Kraft, insbesondere Vorschubkraft, des Antriebssystems (3) aus Linearmotoren (la-le) bündelt.
Pumpe (4) nach Anspruch 1, wobei das Antriebssystem (3) wenigstens ein Messsystem (20), vorzugsweise zur Positions- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung, wenigstens eine Steuereinheit (21) zur Ansteuerung der Linearmotoren (la-le) und wenigstens ein System zur Datenübertragung (25, 26, 27) aufweist.
Pumpe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die das Antriebssystem (3) bildenden Linearmotoren (la-le) auf einem Träger parallel angeordnet sind.
Pumpe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die das Antriebssystem (3) bildenden Linearmotoren (la-le) jeweils als Linearmotoren mit bewegtem Magneten ausgeführt sind.
Pumpe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedem das Antriebssystem (3) bildenden Linearmotor (la-le) wenigstens ein Umrichter (30a-30e) zugeordnet ist.
Pumpe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Antriebssystem (3) aus Linearmotoren (la-le) wenigstens 20 und maximal 128 Linearmotoren aufweist.
Pumpe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die das Antriebssystem (3) aus Linearmotoren (la-le) bildenden Linearmotoren baugleich sind.