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Kolbenpumpe für variable Fördermenge Die Erfindung bezieht sich auf
eine Kolbenpumpe für variable Fördermenge, mit Ein- und Austrittsventilen und mit
wenigstens angenähert axial und im Kreis angeordneten Kolben, die von einer Taumelscheibe
konstanter Neigung angetrieben werden und zwecks F ördermengenänderung mit dieser
zusammen in axialer Richtung verstellbar sind, wobei der Eintritt von Fördermittel
durch eine Öffnung in den Zylinderwänden erfolgt und selbsttätig durch am Zylinder
und am Kolben befindliche Steuerkanten gesteuert wird.
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Für das axiale Verstellen des Kolbensystems kann ein von Hand zu betätigender
oder ein selbsttätig wirkender Mechanismus vorgesehen sein. Im letzten Fall werden
die Kalben durch die auf ihre inneren Enden wirkenden Drücke des Fördermittels z.
B. gegen eine Feder gedrückt. Bei steigendem Förderdruck weicht also das System
in zunehmendem Maß gegen die Feder zurück, und die Fördermenge nimmt automatisch
und im selben Ausmaß ab.
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Bei einer bekannten Kolbenpumpe dieser Gattung wird das Zurückweichen
des Kolbensystems dazu benutzt, einen mehr oder weniger großen Anteil der dem vollen
Kolbensaughub entsprechenden Fördermittelmenge beim nachfolgenden Druckhub des Kolbens
durch eine in die Zylinderwand mündende Steueröffnung entweichen zu lassen und nur
die Restmenge dem Druckraum der Pumpe zuzuführen. Je weiter also das Kolbensystem
zurückweicht, um so größer ist die Teilmenge., die durch die Steueröffnung drucklos
weggepumpt wird, und eine um so kleinere Restmenge wird dem Druckraum zugeführt,
nachdem das innere Kolbenende die Steueröffnung überfahren und zugedeckt hat. Diese
bekannte Regelungsmethode ist mit dem Nachteil verbunden, daß der Kolben beim Druckhub
plötzlich und unvermittelt gegen den vollen, von der Pumpe aufzubringenden Druck
abdichten soll, wobei aber die Überdeckung zwischen dem Kolbenende und der Steueröffnung
zu Beginn des Druckhubes nur klein ist. Diese ungünstigen Verhältnisse machen sich
bei kleiner Fördermenge, bei der in der Regel der höchste Druckanstieg, z. B. bis
400 at, verlangt wird, am stärksten bemerkbar. Deshalb fällt der Wirkungsgrad solcher
Pumpen mit steigendem Förderdruck etwas ab.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zur Vermeidung dieser nachteiligen
Erscheinungen die stufenlose ;Mengenregelung einer Pumpe mit zurückweichendem Kolbensystem
nicht in der Phase des Druckhubes, sondern in der Phase des Saughubes vor sich gehen
zu lassen. Zur Verwirklichung der gestellten Aufgabe sind nach der Erfindung die
Steuerorgane so ausgebildet, daß während der ersten Saughubphase die der Kolbensysteinverstellung
entsprechende Fördermittelmenge eintritt, daß die zweite Saughubphase und die erste
Druckhubphase Leerhübe sind und in der zweiten Druckhubphase die eingetretene Fördermittelmenge
ausgestoßen wird.
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In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung weisen die Kolben
eine Einschnürung auf, in welche das Fördermittel eintritt, und die innere Schulter
der Einschnürung bildet die kolbenseitige Steuerkante, durch welche am Ende des
Saughubes die Verbindung zwischen der Eintrittsöffnung und dem Zylinderraum unterbrochen
wird.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt. Es zeigen Fig. 1 bis 3 eine Pumpe als erstes Ausführungsbeispiel, im
Längsschnitt und in drei verschiedenen Beaufschlagungsgraden, Fig. 4 bis 6 eine
Pumpe als zweites Ausführungsbeispiel, ebenfalls im Längsschnitt und in drei verschiedenen
Beaufschlagungsgraden.
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Im Zylinderblock 1 sind Bohrungen 2 parallel zu der Achse der Antriebswelle
3 im Kreis um diese angeordnet. In den Bohrungen arbeiten die Kolben 4, die mittels
der Federn 5 gegen die Taumelscheibe 6 gedrückt werden und diese längs einer Mantellinie
des kegelförmigen Kolbenkopfes 7 berühren. In die Bohrungen 2 mündet eine seitliche
Öffnung 8, durch welche das Fördermittel über das federbelastete Saugventil 9 eintritt.
Der Förderraum der Zylinder 2 ist am untern Ende durch ein ebenfalls federbelastetes
Druckventil 10 abgeschlossen.
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Die Taumelscheibe 6 ist mittels Kugellagern 12 und 13 an dem mit der
Antriebswelle 3 drehfest verbundenen Mitnehmer 14 in schiefer Stellung gegenüber
der Antriebswelle 3 gelagert. Die Antriebswelle selbst ist im Zylinderblock 1 in
den Kugellagern 15 und 16 gelagert. Der Mitnehmer 14 liegt mittels des Kugellagers
15
in der in Axialrichtung verschiebbaren Hülse 17 an. Diese stützt sich gegen die
Schraubenfeder 18, deren Zusammendrückung durch den Gesamtdruck der unter dem Förderdruck
stehenden Kolben 4 bestimmt wird. Wächst der Druck, den die Kolben zu überwinden
haben, so wird die Feder 18 stärker zusammengedrückt und die Fördermenge dadurch
selbsttätig verkleinert.
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In einem gewissen Abstand von ihren innern Enden 20 weisen die Kolben
4 eine Einschnürung 21 von der Länge e auf, wobei die innere Schulter 22 der Einschnürung
die kolbenseitige Steuerkante für die Steuerung des Eintrittes von Fördermittel
bildet und mit der zylinderseitigen Steuerkante 26 der Öffnung 8 zusammenwirkt.
Von der Einschnürung 21 führen zwei Radialkanäle 23 und ein Zentralkanal 24 nach
dem Kolbenende 20. Der nicht eingeschnürte Teil 25 der Kolben darf eine bestimmte
Länge L nicht unterschreiten, damit am Ende eines Saughubes la bei jeder Lage des
Kolbensystems die untere Kante der Eintrittsöffnung 8 abgedeckt bleibt und keine
Verbindung zwischen dem Saug- und dem Zylinderraum 2 hergestellt wird.
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Zum Verständnis der Wirkungsweise ist die Pumpe in drei Beaufschlagungsgraden
dargestellt. Fig. 1 zeigt die Stellung des Kolbensystems bei maximaler Fördermenge
und kleinstem Förderdruck, Fig.3 diejenige bei Nullfördermenge und maximalem Förderdruck,
während Fig.2 eine Zwischenstellung zeigt. Der rechtsseitig liegende Kolben befindet
sich jeweils in der untern Totpunktlage bei der betreffenden Systemeinstellung.
Von dieser Lage aus führt der Kolben bei seiner Aufwärtsbewegung den Saughub aus.
Flüssigkeit tritt nun bei Fig. 2 z. B. durch das Saugventil 9 und den Kanal 8 in
die Einschnürung 21 des Zylinderraumes und dann durch die Kanäle 23 und 24 nach
dem unterhalb der Endfläche 20 befindlichen Zylinderraum. Überstreicht nun bei der
weiteren Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 seine Steuerkante 22 die zylinderseitige
Steuerkante 26 des Kanals 8, so wird der Eintritt von Flüssigkeit gesperrt. Die
angesaugte Flüssigkeitsmenge hat dabei das Niveau X eingenommen, während bei den
Verstellagen von Fig. 2 und 3 über diesem ein luftleerer Raum 27 zufolge des restlichen
Teiles des Saughubes gebildet wird. Die Dosierung der pro Hubspiel zu fördernden
Menge vollzieht sich somit ausschließlich in der Saughubphase. Am Ende des Saughubes,
da sich der Kolben also in der linksseitig gezeigten Lage befindet, ist noch eine
Lberdeckungslänge ii zwischen dem unteren Kolbenende 20 und der unteren Kante der
Eintrittsöffnung 8 vorhanden. Beim nachfolgenden Druckhub durchläuft der Kolben
4 in der ersten Phase zunächst als Leerhub die Höhe des Vakuums 27, und erst
in der zweiten Druckhubphase wird die in den Zylinderraum eingetretene Flüssigkeitsmenge
durch das Ausströmventil 10 und durch den Kanal 28 ausgestoßen.
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In der betrachteten Einstellung des Kolbensystems arbeitet die Pumpe,
wie bereits erwähnt, gegen einen mittleren Gegendruck. Das System, nämlich die Kolben
4, die Taumelscheibe 6, die Antriebswelle 3 und die Büchse 17, ist dabei durch den
auf die inneren Kolbenenden wirkenden Gegendruck um einen Betrag angehoben worden.
der der stärkeren Zusammendrü l:-kung der Feder 18 entspricht.
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Fällt nun der Druck, gegen den die Pumpe arbeiten rnuß, so senkt sich
das System und nimmt beim minimalen Gegendruck die in Fig. 1 gezeigte Einstellung
an. Dabei ist gleichzeitig der aktive Saughub lt" auf seinen Maximalwert gestiegen,
indem die kolbenseitige Steuerkante 22 die Eintrittsöffnung 8 bis zur obersten Steuerstellung
offen hält. Etwa im gleichen Maß erhöht sich die Fördermenge pro Arbeitsspiel. Steigt
umgekehrt der Arbeitsdruck der Anlage, so hebt sich das System und gelangt beim
maximalen Gegendruck in die in Fig. 3 gezeigte Einstellung, in welcher der aktive
Saughub ha und damit die Fördermenge beinahe oder ganz auf Null zurückgegangen sind.
Die Kolben 4 arbeiten nun während des größten Teiles ihres Hubes im Vakuum, wie
in Fig. 3 angedeutet. Folgt dann gegen Ende des Druckhubes die eigentliche kurze
Ausstoßphase gegen einen sehr hohen Druck, der z. B. bis auf 400 at gehen kann,
so ist der Druckrauen gegenüber dem Eintrittskanal noch vollständig abgeschlossen
und der Kolben ist ferner auf seiner ganzen Führungslänge. nämlich bis hinauf zur
Sitzfläche der Feder 5 im Zylinder, abgedichtet. Selbst bei größtem Gegendruck bleiben
die Leckverluste deshalb gering, und die Kennlinie der Pumpe fällt nur unmerklich
ab.
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Das in den Fig.4 bis 6 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel hat
den gleichen allgemeinen Aufbau wie das erste Beispiel. Lediglich die Steuervorrichtung
ist hier anders gestaltet. An die inneren Zylinderenden schließt eine Tauchkammer
31 an, deren Durchmesser etwas größer als derjenige der Zylinder ist. Die so entstandene
Schulter 32 bildet die zylinderseitige Steuerkante, während kolbenseitig wieder
die innere Schulter 22 der Einschnürung 21 als Steuerkante arbeitet.
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Die Wirkungsweise der Flüssigkeitsförderung ist grundsätzlich gleich
wie beim ersten Ausführungsbeispiel, und die drei Figuren zeigen wieder die Einstellung
der Pumpe in ihren drei Hauptförderarten: 100°/oige, reduzierte und Nullförderung.
Der aktive: Saughub lad ist gleich der Distanz von der jeweiligen Höhenlage der
Steuerschulter 22 bis zur Schulter 32. Die hier geschaffenen Durchflußverhältnisse
beim Flüssigkeitseintritt sind günstiger, weil die angesaugte Flüssigkeitsmenge
nicht mehr durch enge Kanäle in das Innere des Kolbens treten muß, sondern vom Raum
der Einschnürung aus unmittelbar in den erweiterten Tauchraum hineintreten kann.
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Um kurze Baulängen zu erreichen, ist es zweckmäßig, die Länge L des
an die innere Schulter 22 der Einschnürung 21 grenzenden Kolbenteiles 25 sowie den
Regelhub c (s. Fig. 4 und 6) gleich groß wie den Kolbenhub h selbst vorzusehen.