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Die Erfindung betrifft eine hydraulische
Kolbenmaschine umfassend einen oder mehrere Zylinder mit darin geführten Förderkolben,
wobei die Zylinder ein Ein- und ein Auslassventil sowie einen Elementenraum
aufweisen, umfassend eine Fördermengenregelung
und eine Antriebswelle zur Ansteuerung der Förderkolben.
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Stand der
Technik
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Derartige hydraulische Kolbenmaschinen sind
bekannt, bspw. aus der
DE
199 54 639 A1 , die eine hydraulische Kolbenpumpe offenbart,
insbesondere für
Common-Rail-Einspritzsysteme, wobei die Kolbenpumpe einen oder mehrere
axial oder radial angeordnete Zylinder aufweist, die ring- oder
sternförmig
angeordnet sind und eine Fördermengenregelung über an den
Kolben befindlichen schrägen
Steuerkanten. Hierbei ist vorgesehen, die Kolben aller Zylinder
zugleich und in gleicher Weise zu verdrehen, wobei die Fördermenge
einstellende schräge
Steuerkanten an der Stirnseite der Kolben angeordnet sind. Über die
Verdrehung der Kolben kann dann das zur Verfügung stehende Einspritzvolumen
in dem Elementenraum variiert werden. Je nachdem, ob über die
Steuerkante die Einlassbohrung geschlossen oder offen ist, kann
eine Null- oder eine Vollförderung bzw.
jede dazwischen liegende Teilfördermenge
eingestellt werden.
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Nachteilig bei dem Stand der Technik
ist hierbei, dass die verschiedenen Kolben aufwändig miteinander bezüglich ihrer
Verdrehbewegung synchronisiert werden müssen und eine Verdrehbewegung vieler
Teile notwendig ist. Derartige Systeme sind verschleißanfällig.
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Des Weiteren ist aus der
US-PS 5,603,609 eine Axialkolbenpumpe
bekannt, bei der der Antrieb der Kolben ebenfalls wie bei der
DE 199 54 639 A1 über einen
Taumelscheibenantrieb erfolgt. Es ist hierbei vorgesehen, die Steuerung
der Einspritzmenge, die durch die Kolben auf Hochdruck gebracht
wird, mittels Schiebern zu regeln, die Durchtrittsöffnungen in
den einzelnen Zylindern ganz oder teilweise verschließen bzw. öffnen. Ebenfalls
wie beim vorgenannten Stand der Technik besteht hierbei der Nachteil,
dass alle Schieber separat angesteuert werden müssen, wodurch ein erhöhter Steuerungsaufwand und
eine höhere
Fehlerwahrscheinlichkeit entsteht.
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Der vorliegenden Erfindung stellt
sich nun die Aufgabe, eine hydraulische Kolbenmaschine der vorstehend
beschriebenen Art bereitzustellen, bei der eine Bedarfssteuerung
auf einfache Weise zu realisieren ist, die nur einen geringen Aufwand
bezüglich
der anzusteuernden und der beweglichen Teile besitzt.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine hydraulische
Kolbenmaschine umfassend einen oder mehrere Zylinder mit darin geführten Förderkolben, wobei
die Zylinder ein Ein- und
ein Auslassventil sowie einen Elementenraum aufweisen, umfassend eine
Fördermengenregelung
und eine Antriebswelle zur Ansteuerung der Förderkolben, wobei eine Steuerwalze
vorgesehen ist, die über
die Antriebswelle angetrieben wird und in axialer Richtung verschiebbar
ist, wobei die Steuerwalze an ihrem Umfang eine Steuerkante aufweist,
die einen solchen Verlauf hat, dass sie je nach axialer Position
der Steuerwalze eine Bypassbohrung in dem wenigstens einen Zylinder
verschließt
oder während
eines Förderzyklusses des
Förderkolbens
ganz oder teilweise zeitlich freigibt.
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Vorteile der
Erfindung
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Die Erfindung besitzt den Vorteil,
dass aufgrund einer insbesondere zentrisch zwischen den stern- oder
ringförmig
angeordneten Zylindern vorgesehenen einzelnen Steuerwalze alle Kolben
bzw. Zylinder gleichzeitig angesteuert werden können. Die Steuerkante ist dabei
so ausgelegt, dass sie es für alle
zugeordneten Zylinder ermöglicht,
im zeitlichen Verlauf über
einen Förderzyklus,
also eine Hub- und eine Saugphase des Förderkolbens, die in der Regel einer
Umdrehung der Antriebswelle entspricht, eine Bypassbohrung, die
im Zylinder neben der Ein- und Auslassbohrung vorgesehen ist, vollständig oder aber
auch nur während
eines Teiles des Förderzyklusses
zu verschließen.
Alternativ kann die Öffnung auch
ganz freigegeben werden. Insbesondere erfolgt ein Öffnen der
Bypassbohrung, wenn lediglich eine Teilförderung erfolgen soll, während der
Hubphase des Kolbens. Dabei ist der verbleibende Resthub des Förderkolbens
nach vollständig
verschlossenem Querschnitt der Bypassbohrung bestimmend für die sich
einstellende Fördermenge
des Zylinders.
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Über
die Wahl der Form und den Verlauf der Steuerkante kann die Charakteristik
beim Schließvorgang
der Bypassbohrung bestimmt werden, wodurch eine pulsationsarme kantengesteuerte
Bedarfssteuerung realisiert werden kann.
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Bei einem ersten Ausführungsbeispiel
kann vorgesehen sein, dass die Ansteuerung der Förderkolben über eine mit der Antriebswelle
verbundene Taumelscheibe erfolgt. Denkbar sind jedoch auch andere
hydraulische Kolbenmaschinen mit nicht rotierenden Zylindern. D.
h. die Zylinder sind relativ zum Gehäuse ortsfest.
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Die Zylinder können dabei axial ausgerichtet sein,
d. h. ihre Längserstreckung
bzw. die Längsachse
der Zylinder verläuft
in Richtung der Antriebsachse beziehungsweise in Richtung der Steuerwalzenachse.
Auf diese Weise ist ein Antrieb der einzelnen Kolben besonders einfach
zu verwirklichen. Alternativ ist jedoch auch erfindungsgemäß möglich, eine Radialkolbenpumpe
zu verwenden, bei der die. Kolben und Zylinder sternförmig angeordnet
sind und radial nach außen
weisen. Dabei werden die einzelnen Zylinder . nacheinander durch
die Steuerkante angesteuert, bei konstanter axialer Verschiebung,
wobei die Ansteuerung mit der Ansteuerung insbesondere der Kolben über z. B.
die Taumelscheibe synchronisiert ist.
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Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass
die Steuerkante bei maximaler Fördermenge, also
Vollförderung,
die Bypassbohrung während
des gesamten Förderzyklusses,
insbesondere während der
Hubphase des Kolbens verschließt.
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Während
einer Nullförderung,
d. h. es wird kein Kraftstoff bzw. anderes hydraulisches Fluid durch
den Kolben gefördert,
ist die Steuerwalze derart axial verschoben, dass während der
gesamten Umdrehung der Steuerwalze die Steuerkante die Bypassbohrung
ganz oder teilweise freigibt.
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Schließlich kann eine Teilförderung
vorgesehen sein, wobei die Steuerkante derartig gestaltet ist, dass
sie im Laufe der Hubphase von einer geschlossenen zu einer offenen
Bypassöffnung
verstellt werden kann durch die Umdrehung der Steuerwalze. Hierzu
kann vorgesehen sein, eine sog. schräge Steuerkante vorzusehen,
so dass durch die Umdrehung der Steuerwalze die Bypassbohrung zunächst ganz
oder teilweise geöffnet
ist und dann im Verlauf der weiteren Umdrehung ganz oder teilweise
geschlossen wird. Die Steuerkante läuft dabei um den gesamten Umfang
der Steuerwalze um.
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Es kann hierbei insbesondere vorgesehen sein,
dass das Verschließen
der Bypassöffnung
kontinuierlich zunehmend erfolgt, d. h., dass keine plötzlichen
Sprünge
wie ein plötzliches
Verschließen
der Bypassbohrung vorgenommen werden.
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Über
den Umfang und die Steigung, die die Abschrägung der Steuerkante besitzt,
kann die Bedarfssteuerung weiter variiert werden.
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Die axiale Verschiebung der Steuerwalze kann
bspw. über
einen Proportionalmagneten oder einen Piezoaktor erfolgen. Dabei
kann die Position der Steuerkante relativ zur Bypassbohrung über die Bestromungsstärke des
Proportionalmagneten bzw. die Aktorspannung des Piezoaktors eingestellt
werden. Wird bspw. eine sehr große Spannung an den Piezoaktor
angelegt, so dehnt sich dieser infolge der Spannung aus und die
Bewegung kann gekoppelt oder ungekoppelt und/oder verstärkt auf
die Steuerwalze übertragen
werden. Auf analoge Weise erfolgt dies über die Einstellung der Bestromungsstärke für den Proportionalmagneten.
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Es kann dabei vorgesehen sein, dass
die Steuerwalze mit der Antriebswelle unmittelbar gekoppelt ist,
d. h. dass pro Umdrehung der Antriebswalze eine Umdrehung der Steuerwalze
erfolgt.
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Durch die vorliegende Erfindung ist
die Ansteuerung für eine
beliebige Anzahl von Kolben über ein
einziges Steuerelement, nämlich
die Steuerwalze möglich.
Auf diese Weise kann eine erhebliche Teilereduzierung und damit
Kosteneinsparung insbesondere bei der Umsetzung einer Volumenstromsteuerung
bei Mehrzylinderpumpen erfolgen.
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Zeichnung
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Die Erfindung soll im Folgenden anhand
einer Zeichnung näher
erläutert
werden. Dabei zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße hydraulische Kolbenmaschine
in einer Stellung der Steuerwalze zur Vollförderung;
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2 die
Kolbenmaschine gemäß 1 in einem Teilförderbetrieb;
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3 die
Kolbenmaschine gemäß 1 in einem Nullförderbetrieb;
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung in Form einer Konstantdruckpumpe.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Kolbenmaschine
in unbestromtem Zustand. Die Kolbenmaschine umfasst hierbei mehrere
Förderkolben,
die mit l bezeichnet sind. Die Förderkolben 1 sind
in Zylindern 23 angeordnet und hierin rotationsfest zum
Gehäuse 2 festgelegt.
Der Antrieb der Förderkolben 1 erfolgt über eine
Antriebswelle 8, wobei die Förderkolben l mit der Antriebswelle 8 über eine
Taumelscheibe 7 in Verbindung stehen und in axialer Richtung
angeordnet sind. Treibt man die gezeigte Kolbenmaschine über die
Antriebswelle 8 an, so wird die Drehung über die
Taumelscheibe 7 auf Gleitschuhe 12 übertragen,
wodurch eine axiale Bewegung der Förderkolben 1 je nach
Lage der Taumelscheibe 7 in der Bildrichtung nach rechts
bzw. in der Bildrichtung nach links erfolgt. Hierdurch kann eine
Hub- und eine Saugbewegung des Kolbens 1 erzielt werden.
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Mit Beginn eines Förderhubes
schließt
sich ein Einlassventil 13 des Kolbens, über den dieser mit einem Hyraulikfluidreservoir
in Verbindung steht, insbesondere mit einem Kraftstoffreservoir,
sofern die Kolbenmaschine bspw. in einem Common-Rail-System eingesetzt
ist. Über
die Drehung der Antriebswelle 8 erfolgt eine Verdrehung
der Taumelscheibe und über
die Bewegung des Kolbens 1 wird ein Elementenraum 16 unter
Druck gesetzt. Ist der Enddruck erreicht, öffnet sich ein Auslassventil 17 und
das vom Kolben verdrängte
Medium wird in einen Ringraum 18r gefördert, von wo aus es an einen
angeschlossenen Verbraucher, insbesondere ein Common-Rail-Modul
weitergeleitet wird.
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Beim Rückhub des Förderkolbens 1 schließt das Auslassventil 17 wieder
und über
das Einlassventil wird neues Medium aus einem Reservoir, bspw. einem
Triebwerksraum 18 angesaugt.
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Zentrisch und ebenfalls in axialer
Richtung angeordnet befindet sich von dem Förderkolben 1 umgeben
eine Steuerwalze 3, die eine Steuerkante 4 aufweist.
Die Steuerwalze 3 ist mit der Antriebswelle 8 über einen
Mitnahmestift 5, der in eine Nut 6 eingreift,
mit der Taumelscheibe 7 verbunden und wird hierdurch angetrieben.
Hierdurch wird sichergestellt, dass sich die Taumelscheibe 7 und
die Steuerwalze 3 mit der gleichen Drehzahl drehen und
die Winkellage der Steuerkante 4 relativ zum Kolbenhub
fixiert ist. Das heißt,
einer Winkellage der Steuerkante 4 ist stets ein spezifischer
Kolbenhub zugeordnet. Die Steuerwalze 3 lässt sich
axial verschieben. Hierzu ist im Bereich der Taumelscheibe 7 eine
sich an der Taumelscheibe abstützende
Feder 9 vorgesehen, die die Steuerwalze 3 in axialer
Richtung – in
der 1 nach rechts – gegen
einen Stößel 10 eines
feststehenden Proportionalmagneten 11 drückt.
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Ist nun wie in 1 dargestellt eine Vollförderung,
also eine maximale Förderung
durch die Kolbenmaschine erwünscht,
so bleibt der Proportionalmagnet 11 unbestromt, wodurch
die Steuerwalze in der im Bild dargestellten ganz rechten Position
zu liegen kommt. Die Steuerkante 4 ist dabei so ausgestaltet,
dass sie in diesem unbestromten Zustand nicht in den Bereich einer
Bypassbohrung 15 hineinragt, die den Elementenraum 16 mit
der Walze 3 und einer Walzennut 19 und hierüber mit
dem Triebwerksraum 18 verbindet. Vielmehr verschließt die Steuerwalze 3 in
dieser Position die Bypassbohrung 15 vollständig. Das
heißt,
sämtliches
durch das Einlassventil eingeströmte
Medium wird im Elementenraum 16 komprimiert und durch das
Auslassventil in das System eingespritzt. Der Absteuerquerschnitt 14,
der der Auslassöffnung
der Bypassöffnung 15 im
Bereich der Steuerwalze 3 entspricht, bleibt hierbei über den
gesamten Förderzyklus,
der einer Umdrehung der Taumelscheibe 7 entspricht, geschlossen.
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2 zeigt
die Kolbenmaschine gemäß 1 in einer Teilförderungsbetriebsweise.
Hierzu wird der Proportionalmagnet 11 derart bestromt,
dass sich der Stößel 10 im
Bild nach links bewegt und auf die Steuerwalze 3 wirkt
und diese gegen die Kraft der Feder 9 im Bild ebenfalls
nach links verschiebt. Hierdurch wird in einer ersten hier gezeigten
Stellung der Antriebswelle 8 und damit der Steuerwalze 3 die
Bypassbohrung 15 freigegeben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Bestromungsstärke
des Proportionalmagneten 11 derart eingestellt, dass die Steuerkante 4 teilweise
auf der in der Bildebene linken Seite der Bypassbohrung 15 zu
liegen kommt, wodurch die Bypassbohrung 15 vollständig freigegeben
wird. Über
die Bestromungsstärke
kann eine beliebige Position der Walze 3 mit der Steuerkante 4 relativ
zur Bypassbohrung 15 eingestellt werden. In 2 ist der Proportionalmagnet 11 in
einer Mittelstellung dargestellt. Zum Hubbeginn, der in der 2 gezeigt ist, ist die Bypassbohrung
vollständig
geöffnet.
Mit zunehmendem Hub und damit zunehmender Drehung der Antriebswelle 8 und
hierdurch der Steuerwalze 3 verschließt sich der Absteuerquerschnitt 14 der
Bypassbohrung 15 aufgrund der in axialer Richtung schräg verlaufenden
Steuerkante 4. Hierdurch wird erreicht, dass während der
Hubphase des Förderkolbens 1 Medium
so lange über
den Absteuerquerschnitt 14 und durch die Walzennut 19 über eine
Rücklaufbohrung 20 in
den Triebwerksraum 18 zurückfließt, bis die Walze 3 über die
Steuerkante 4 den Absteuerquerschnitt 14 vollständig verschließt.
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Sobald die Bypassbohrung 15 vollständig verschlossen
ist, beginnt die Forderphase der Kolbenmaschine. Das Auslassventil 17 wird
dann geöffnet
und das verbleibende Hubvolumen vom Förderkolben 1 wird
in den Ringraum 18 in der zuvor beschriebenen Weise gefördert. Es
kann von hieraus an angeschlossene Verbraucher weitergeleitet werden.
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Die Steuerkante 4 ist hierbei
so ausgelegt, dass es zu einem kontinuierlich zunehmenden Verschließen der
Bypassbohrung 15 während
der Umdrehung der Steuerwalze 3 kommt. Hierdurch kann eine
besonders pulsationsarme Bedarfssteuerung realisiert werden.
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Schließlich zeigt 3 die Kolbenmaschine gemäß 1 in einer Betriebsweise
für eine
Nullförderung.
Hierbei ist der Proportionalmagnet 11 maximal bestromt,
so dass der Stößel 10 in
seiner maximalen Position in der Zeichnungsebene nach links verfahren
ist. Die Walze 3 wird hierbei weiter verstärkt gegen
die Federkraft 9 in der Zeichnungsebene nach links bewegt,
bis sie mit dem Mitnahmestift 5 in einem Nutgrund 21 der
Nut 6 anliegt. Die Walze 3 ist hierbei derartig
weit verschoben, dass beim gesamten Förderzyklus die Steuerkante 4 stets
in der Bildebene links von der Bypassbohrungsöffnung, nämlich dem Absteuerquerschnitt 14 verbleibt.
Ein Verschließen
des Absteuerquerschnitts 14 findet während des gesamten Förderzyklusses
nicht statt. Hierdurch kann beim Förderhub im Elementenraum 16 kein
Druck aufgebaut werden, da das gesamte Hubvolumen des Förderkolbens 1 über die
Bypassbohrung 15, die Walzennut 19 und die Rücklaufbohrung 20 in
den Triebwerksraum 18 zurückfließt. Beim Saughub des Förderkolbens 1,
also dem zweiten Teil des Förderzyklusses,
wird der Elementenraum 16 über das Einlassventil 13 sowie über den
oben beschriebenen Absteuerpfad, nämlich die Rücklaufbohrung, die Walzennut
und die Bypassbohrung wieder mit Medium gefüllt.
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Ein Druckaufbau findet in diesem
Zustand nicht statt.
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Bei der in 1 – 3 dargestellten Kolbenmaschine
prallt bei Teil- bzw. Nullförderung
der Absteuerstrahl des Mediums, der aus dem Absteuerquerschnitt 14 austritt,
auf die schräg
verlaufende Stirnfläche
der Walze 3. Hieraus resultiert eine Axialkraftkomponente,
die gegen die Federkraft der Feder 9 der Steuerwalze 3 wirkt.
Hierbei ist die Anströmung der
an die Steuerkante 4 angrenzenden Stirnfläche der
Walze 3 über
die Bypassbohrung 15 entscheidend für die auf die Walze 3 resultierenden Strömungskräfte. Über die
Form und Lage der Bypassbohrung 15 und Planfläche der
Steuerwalze 3 lassen sich dabei die hydraulischen Walzenkräfte beeinflussen.
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Um einen Verschleiß zwischen
der rotierenden Steuerwalze 3 und dem stehenden Stößel 10 des
Proportionalmagneten 11 zu vermeiden, kann weiterhin vorgesehen
sein, die Steuerwalze 3 und den Stößel 10 aus einem Stück herzustellen.
Der Stößel 10 rotiert
mit der Steuerwalze 3. Stößel 10 und Anker 22 laufen
in dem stillstehenden Spulenkörper um.
Der Verschleiß kann
hierdurch gesenkt werden.
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Schließlich zeigt 4 eine weitere alternative Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine
gemäß 1–3.
Es wird hier die Anwendung der Steuerwalze 3 bei einer
Konstantdruckpumpe gezeigt. In diesem Fall wird der Proportionalmagnet 11,
der in den 1–3 dargestellt ist, ersetzt durch
eine Kolbenanordnung 28, wobei ein Kolben 27 unmittelbar
mit der Steuerwalze 3 verbunden ist und wobei eine Abdichtung
eines Absteuerraumes 30, über den bei Null- oder Teilförderung
Fluid in den Triebwerksraum 18 zurückfließen kann, von einem Kolbenraum 25 erfolgt.
Der Kolben 27 ist dabei über eine Kolbenabdichtung 24 als
Trennglied vorgesehen. Der Kolbenraum 25 wird über eine
Querbohrung 26, die mit einem Ringraum 29 verbunden
ist, befüllt und
entleert. Liegt im Ringraum 29 kein Druck an, so schiebt
die Feder 9 die Walze 3 in der Figur ganz nach
rechts. Dies entspricht der Walzenposition gemäß 1. Der Absteuerquerschnitt 14 der
Bypassbohrung 15 bleibt verschlossen. Die Kolbenmaschine arbeitet
mit Vollförderung.
Mit steigendem Druck im Ringraum 29, der über die
Querbohrung 26 der auf den Kolben 27 wirkt, wird
die Walze 3 gegen die Kraft der Feder 9 so lange
in der Bildebene nach links verschoben, dass der Bereich der Teilförderung
erreicht wird. Eine Verschiebung erfolgt so lange, bis sich die Federkraft
der Feder 9 und der Druck im Kolbenraum 25 gegeneinander
aufheben und im Gleichgewicht stehen. Über die Abstimmung der Federvorspannung und
die Kolbenfläche
lässt sich
hiermit ein beliebiger Druck einstellen, der von der Kolbenmaschine
konstant gehalten wird. Auf diese Weise kann besonders einfach der
Proportionalmagnet bzw. ein anderer Aktor zur Verschiebung der Walze 3 ersetzt
werden. Der Ringraum 29 kann mit dem Ringraum 18r in
Verbindung stehen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der
Erfindung ergeben sich aus den übrigen
Anmeldungsunterlagen, die Merkmale sind hierbei einzeln und in beliebiger
Kombination miteinander für
die Erfindung wesentlich.