DE112011105277T5

DE112011105277T5 - Verfahren und System zur Energierückgewinnung

Info

Publication number: DE112011105277T5
Application number: DE112011105277.4T
Authority: DE
Inventors: Marcus Rösth
Original assignee: Parker Hannifin AB
Current assignee: Parker Hannifin AB
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2014-04-10
Also published as: SE1351485A1; SE538157C2; US9809957B2; KR20140038437A; WO2012161628A1; US20140123633A1

Abstract

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein erfinderisches Energierückgewinnungsverfahren für ein Hydrauliksystem bereitzustellen, das einen Hydraulikzylinder (1), eine Pumpe (2), einen Tank (3), eine Versorgungsleitung (4), eine Rücklaufleitung (5) und einen Hydraulikspeicher (7) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte des Ladens des Hydraulikspeichers (7) und des Speicherns von Fluid in dem Hydraulikspeicher (7) aufweist, wobei das Energierückgewinnungsverfahren den Schritt des Lenkens von Fluid von dem Hydraulikspeicher (7) in eine Expansionskammer (8, 9) des Hydraulikzylinders (1) während eines Freilauflastzustands aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energierückgewinnungsverfahren für ein Hydrauliksystem, das einen Hydraulikzylinder, eine Pumpe, einen Tank, eine Versorgungsleitung, eine Rücklaufleitung und einen Hydraulikspeicher aufweist, wobei das Verfahren die Schritte des Ladens des Hydraulikspeichers und des Lagerns von Fluid in dem Hydraulikspeicher aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein entsprechendes System.
STAND DER TECHNIK
Hydrauliksysteme werden häufig zur Leistungsversorgung von Baumaschinen, wie zum Beispiel ein Bagger verwendet, der eine Auslegereinheit, die einen Ausleger, einen Arm sowie einen Becher, die schwenkend miteinander gekuppelt sind, hat. Eine Hydraulikzylindereinheit wird verwendet, um die Auslegereinheit zu steuern und zu betreiben, wobei die Hydraulikzylindereinheit eine Vielzahl von Hydraulikzylindern aufweist, die jeweils einen Kolben enthalten, der in dem Zylinder zwei Kammern definiert.
Während des angetriebenen Ausfahrens und Einziehens, wird druckbeaufschlagtes Fluid von einer Pumpe gewöhnlich durch eine Ventileinheit an eine Zylinderkammer angelegt, und das gesamte Fluid, das aus der anderen Zylinderkammer austritt, fließt durch die Ventileinheit in eine Rücklaufleitung, die zu dem Systemtank führt. Unter bestimmten Bedingungen ermöglicht eine externe Last oder andere Kraft, die auf die Maschine einwirkt, das Ausfahren oder Einziehen der Zylindereinheit ohne signifikanten Fluiddruck von der Pumpe. Das wird oft als eine Freilauflast bezeichnet. Wenn bei einem Bagger zum Beispiel der Becher mit schwerem Material gefüllt ist, kann der Ausleger durch die Schwerkraft allein gesenkt werden. Um Energie zu sparen, ist es wünschenswert, die Energie dieses austretenden Fluids zurückzugewinnen, statt sie in die Ventileinheit abzuführen. Bestimmte ältere Systeme funktionieren in mehreren unterschiedlichen Betriebsarten, von welchen zum Beispiel eine das angetriebene Ausfahren und Zurückziehen ist, und eine andere eine Energierückgewinnungsbetriebsart ist, bei der druckbeaufschlagtes austretendes Fluid von einem hydraulischen Stellantrieb zu einem Speicher gesendet wird, wo es unter Druck für späteren Gebrauch zum Antreiben der Maschine gelagert wird. Die Dokumente des Stands der Technik US 2008/0110165 und US 2007/0074509 zeigen Beispiele von Energierückgewinnungssystemen, die solche Speicher verwenden. Diese Systeme des Stands der Technik sind jedoch nicht optimiert und weitere Verbesserungen in Zusammenhang mit Energiesparen sind möglich.
Es besteht daher ein Bedarf an einem verbesserten Energiesparsystem zum Rückgewinnen und Wiederverwenden von Energie in einem Hydrauliksystem.
KURZDARSTELLUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein erfinderisches Energierückgewinnungsverfahren vorzusehen, bei dem das oben erwähnte Problem teilweise vermieden wird. Diese Aufgabe wird von den Merkmalen des charakterisierenden Teils des Anspruchs 1 verwirklicht, wobei das Energierückgewinnungsverfahren den Schritt des Lenkens von Fluid von dem Hydraulikspeicher in eine Expansionskammer des Hydraulikzylinders während eines Freilauflastzustands aufweist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht außerdem darin, ein erfinderisches Hydrauliksystem vorzusehen, bei dem das oben erwähnte Problem teilweise vermieden wird. Diese Aufgabe wird von den Merkmalen des charakterisierenden Teils des Anspruchs 10 verwirklicht, wobei das Hydrauliksystem konfiguriert ist, um Fluid von dem Hydraulikspeicher in eine Expansionskammer des Hydraulikzylinders während eines Freilauflastzustands zu lenken.
Das Steuern von Hydrauliksystemen weist oft mehrere unterschiedliche Betriebsarten auf. An die Steuervorrichtung wird ein Geschwindigkeitsreferenzsignal von dem Bediener für jede Last geliefert. Die Steuervorrichtung bestimmt danach, welche Betriebsart zu verwenden ist und welche Ventile des Hydrauliksystems zu verwenden sind, so dass die Drosselverluste in dem System minimiert werden und ein maximales Niveau an Energierückgewinnung erzielt wird.
Einige der Betriebsarten sind:
Bei der normalen Betriebsart wird ein druckbeaufschlagtes Fluid von der Pumpe zu einer Expansionskammer eines hydraulischen Stellantriebs geliefert, und das zurückfließende Öl wird in den Tank geliefert.
Die Rückgewinnungsbetriebsart wird während einer Freilauflast angewandt, bei der die potentielle Energie der Last durch eine andere hydraulische Vorrichtung des Hydrauliksystems zurückgewonnen werden sollte. Die Last selbst ist die Bewegungsquelle des hydraulischen Stellantriebs und beaufschlagt das Fluid mit Druck in einer Kontraktionskammer des hydraulischen Stellantriebs. Das druckbeaufschlagte Fluid, das aus dem hydraulischen Stellantrieb austritt, wird zum Beispiel zu einer anderen Last des Systems gelenkt, und/oder zu einem Speicher zum Lagern der Energie, und/oder zu der Pumpe des Hydrauliksystems, die vorübergehend als ein Hydraulikmotor funktioniert. Es ist nicht wichtig, ob der hydraulische Stellantrieb einen positiven oder einen negativen Hub ausführt, und die potentielle Energie der Last wird zurückgewonnen.
Der energieneutrale Betrieb ist ähnlich wie der Rückgewinnungsbetrieb und wird auch während einer Freilauflast angewandt, jedoch ohne das Niveau der potenziellen Energie, die erforderlich ist, um einen anderen hydraulischen Stellantrieb des Systems zu betreiben oder um die Energie in einem Speicher zu speichern. Die Last selbst ist die Bewegungsquelle des hydraulischen Stellantriebs und beaufschlagt das Fluid mit Druck in einer Kontraktionskammer des hydraulischen Stellantriebs. Das druckbeaufschlagte Fluid der Kontraktionskammer des hydraulischen Stellantriebs wird daher einfach zu dem Tank gelenkt. Es ist nicht wichtig, ob der hydraulische Stellantrieb einen positiven oder einen negativen Hub ausführt. Die Last wird daher im Wesentlichen ohne den Gebrauch zusätzlicher Pumpenenergie gesenkt.
Eine regenerative Betriebsart beinhaltet das Eingangsdosieren und Ausgangsdosieren des hydraulischen Stellantriebs. Wenn druckbeaufschlagtes Fluid zu der gegenseitig verbundenen Einlass- und Auslassöffnung des hydraulischen Stellantriebs geliefert wird, fährt der Kolben aufgrund des Unterschieds der Querschnittsfläche der Stangenendseite und der Deckelendseite des Kolbens in dem Hydraulikzylinder aus. Das Fluid, das aus der Stangenendkammer austritt, tritt in die Deckelendkammer ein und steigert daher die Ausfahrgeschwindigkeit. Eine Freilauflast kombiniert mit einem negativen Kolbenhub resultiert bei diesem Betrieb darin, dass druckbeaufschlagtes Fluid aus der Deckelend-Kontraktionskammer austritt und teilweise zu der Stangenend-Expansionskammer fließt und ein Teil des druckbeaufschlagten Fluids zu der Versorgungsleitung und/oder Rücklaufleitung zur Rückgewinnung seiner Energie gelenkt werden kann. Das Fluid kann zum Beispiel zu der Pumpe gelenkt werden, um die Pumpe als einen Hydraulikmotor anzutreiben, oder das Fluid kann zu dem Speicher oder zu irgendeiner anderen hydraulischen Last des Systems gelenkt werden.
Das Problem bei der Rückgewinnungsbetriebsart, der energieneutralen Betriebsart und regenerierenden Betriebsart ist, dass Hydraulikfluid in bestimmten Situationen zu der Expansionskammer des hydraulischen Stellantriebs gelenkt werden muss, um diese nachzufüllen. Anderenfalls treten an der Expansionskammer des hydraulischen Stellantriebs Hohlsog und unzureichende hydraulische Stellantriebgeschwindigkeit auf, weil Drosselverluste das Nachfüllen der Expansionskammer allein durch Beziehen von Fluid von dem Tank verhindern. Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, die Expansionskammer des hydraulischen Stellantriebs mit druckbeaufschlagtem Fluid von der Pumpe während eines Freilauflastzustands bei der Rückgewinnungsbetriebsart, energieneutralen Betriebsart und regenerativen Betriebsart nachzufüllen, aber das erfordert den Betrieb der Pumpe und ist daher nicht energiesparend. Außerdem verhindert diese Lösung den Gebrauch der Pumpe als Hydraulikmotor in einer Rückgewinnungsbetriebsart. Eine andere Lösung besteht darin, das druckbeaufschlagte Fluid, das aus einem anderen hydraulischen Stellantrieb austritt, zu der Expansionskammer des hydraulischen Stellantriebs zu lenken. Diese Lösung kann jedoch nur unter bestimmten speziellen Umständen angewandt werden, da sie gleichzeitig die Bewegung eines anderen hydraulischen Stellantriebs erfordert sowie eine ausreichende Fluidmenge.
Die erfindungsgemäße Lösung verwendet einen Niederdruckspeicher, der mittels einer Steuervorrichtung und einer geeigneten Ventileinrichtung gesteuert wird, um die Expansionskammer des hydraulischen Stellantriebs mit druckbeaufschlagtem Fluid während eines Freilauflastzustands zu versorgen. Das kann Niederdruck-Nachfüllenergierückgewinnungsbetriebsart genannt werden.
Die erfinderische Lösung führt zu mehreren Vorteilen, wie zum Beispiel zum Erlauben des Gebrauchs von Hydrauliksystembetriebsarten, bei welchen Nachfüllfluid anderenfalls fehlt, Steigern des Energiesparniveaus durch Versorgen des Hydraulikzylinders mit Fluid von dem Speicher an Stelle des Gebrauchs von druckbeaufschlagtem Fluid von der Pumpe, was Zylinderhohlsog vermeidet, und steigender Geschwindigkeit des hydraulischen Stellantriebs.
Weitere Vorteile werden durch Umsetzen eines oder mehrerer Merkmale der abhängigen Ansprüche erzielt. Der Hydraulikzylinder kann ein doppelt wirkender Hydraulikzylinder sein, der eine Stangenendkammer und eine Deckelendkammer aufweist, und das Fluid von dem Hydraulikspeicher kann in eine Deckelend-Expansionskammer des hydraulischen Zylinders während des Freilauflastzustands gelenkt werden.
Die Deckelend-Expansionskammer und die Stangenendkammer können strömungstechnisch während des Schritts des Lenkens von Fluid von dem Hydraulikspeicher in eine Expansionskammer des Hydraulikzylinders verbunden sein.
Der Hydraulikzylinder kann ein doppelt wirkender Hydraulikzylinder sein, der eine Stangenendkammer und eine Deckelendkammer aufweist, und bei dem das Fluid von dem Hydraulikspeicher in eine Stangenend-Expansionskammer des hydraulischen Zylinders während des Freilauflastzustands gelenkt werden.
Das erfinderische Verfahren kann zusätzlich das Lenken von Fluid von der Pumpe in die Expansionskammer des hydraulischen Zylinders während des Freilauflastzustands aufweisen, so dass ein relativ reibungsloser Übergang von einem Freilauflastzustand zu einem Widerstandslastzustand erzielt werden kann.
Das erfinderische Verfahren kann zusätzlich das zusätzliche Lenken von Fluid, das aus einem anderen hydraulischen Stellantrieb des Hydrauliksystems austritt, in die Expansionskammer des hydraulischen Zylinders während des Freilauflastzustands, aufweisen.
Das Fluid, das aus dem hydraulischen Zylinder heraus forciert wird, kann mindestens teilweise zu der Pumpe für Rückgewinnungsbetrieb des Hydrauliksystems gelenkt werden.
Das Laden des hydraulischen Speichers kann das Lenken von Fluid, das aus dem hydraulischen Zylinder oder einem anderen hydraulischen Stellantrieb des Hydrauliksystems austritt, in den Hydraulikspeicher während eines Freilauflastzustands und/oder das Lenken von Fluid von der Pumpe in den Hydraulikspeicher bedingen.
Der Schritt des Lenkens von Fluid von dem Hydraulikspeicher in eine Expansionskammer des hydraulischen Stellantriebs kann außerdem auf Fluiddruck, der innerhalb der Expansionskammer erfasst wird, beruhen. Dadurch wird der Hohlsog des hydraulischen Stellantriebs verringert oder vermieden, und eine verringerte Fluidmenge, die von der Pumpe geliefert wird, ist erforderlich.
Der Hydraulikspeicher kann strömungstechnisch mit der Rücklaufleitung an einer Speicherkupplungsstelle verbunden sein, und ein Gegendruckventil kann an der Rücklaufleitung zwischen der Speicherkupplungsstelle und dem Tank eingerichtet sein, um den Ladedruck des Hydraulikspeichers zu regeln.
Der Hydraulikspeicher kann auf der Tankseite des Hydraulikzylinders eingerichtet sein, insbesondere zwischen irgendwelchen Hydraulikzylinder-Dosierventilen des Hydrauliksystems und des Tanks.
Das Hydrauliksystem kann ferner ein erstes Steuerventil aufweisen, das eingerichtet ist, um den Hydraulikfluidstrom zwischen mindestens der Pumpe und der Deckelendkammer des Hydraulikzylinders zu steuern, und ein zweites Steuerventil, das eingerichtet ist, um den Hydraulikfluidstrom zwischen mindestens der Pumpe und der Stangenendkammer des Hydraulikzylinders zu steuern, ein drittes Steuerventil, das eingerichtet ist, um den Hydraulikfluidstrom zwischen der Deckelendkammer des Hydrauliksystems und dem Tank zu steuern, und ein viertes Steuerventil, das eingerichtet ist, um den Hydraulikfluidstrom zwischen mindestens der Stangenendkammer des Hydraulikzylinders und dem Tank zu steuern.
Das Hydrauliksystem kann außerdem eine Steuereinheit aufweisen, bei dem jedes des ersten, zweiten, dritten und vierten Steuerventils einzeln von der Steuereinheit gesteuert werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ein erfindungsgemäßes Hydrauliksystem zeigt,
2 einen Bagger, der eine Bewegung ausführt, zeigt,
3 das erfindungsgemäße Hydrauliksystem der 1 zeigt, das einen anderen hydraulischen Stellantrieb aufweist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bewegliche Fluidantriebssysteme, die Hydrauliksysteme aufweisen, werden gewöhnlich in Arbeitsmaschinen, wie zum Beispiel Baggern, Radladern, Forst-Harvestmaschinen und dergleichen verwendet und weisen meistens eine Vielzahl hydraulischer Stellantriebe, eine Ventilanordnung und mindestens eine Hydraulikpumpe auf. Die Hydraulikpumpe wird von einer Leistungsquelle angetrieben, wie zum Beispiel von einem Verbrennungsmotor. Hydraulische Stellantriebe können hydraulische Kolben zum Betreiben eines Arms eines Baggers oder ein Hydraulikmotor zum Antreiben eines Fahrzeugs sein. Ein elektronisches Steuersystem empfängt Steuereingaben von einem Bediener des Systems und steuert eine Vielzahl hydraulischer Ventile der Ventileinrichtung, die Fluid zwischen den Systembauteilen lenkt. Die Steuereinheit betreibt das Hydrauliksystem in unterschiedlichen Betriebsarten in Abhängigkeit von der spezifischen Situation, Last, Bedienereingabe usw.
Die Erfindung wird ausführlich unter Bezugnahme auf einen kleinen Teil des Hydrauliksystems für ein bewegliches fluidbetriebenes System, wie in 1 illustriert, beschrieben.
Das erfindungsgemäße Hydrauliksystem weist eine Hydraulikpumpe 2 zum Liefern von druckbeaufschlagtem Hydraulikfluid zu einem doppelt wirkenden Hydraulikzylinder, der eine Stangenendkammer 9 und eine Deckelendkammer 8 aufweist, auf. Eine Schiebestange 12 ist an einem Schiebekolben 13 befestigt, der ein Gehäuse des Hydraulikzylinders in die Stangenendkammer 9 und die Deckelendkammer 8 teilt. Die Pumpe 2 saugt Fluid von einem Tank 3 an und liefert druckbeaufschlagtes Fluid zu einer Versorgungsleitung 4. Die Pumpe wird von einer Leistungsquelle 1 angetrieben, wie zum Beispiel von einem Verbrennungsmotor. Nur eine einzige Hydraulikpumpe 2 und ein Hydraulikzylinder 1 sind zur Klarheit illustriert.
Druckbeaufschlagtes Fluid von der Versorgungsleitung 4 wird zu der Deckelendkammer 8 über ein erstes Steuerventil 14 und zu der Stangenendkammer 9 über ein zweites Steuerventil 15 gelenkt. Hydraulikfluid, das aus der Deckelendkammer 8 austritt, wird zu dem Tank 3 über ein drittes Steuerventil 16 gelenkt, und Hydraulikfluid, das aus der Stangenendkammer 9 austritt, wird zu dem Tank 3 über ein viertes Steuerventil 17 gelenkt. Jedes des ersten bis vierten Steuerventils 14–17 wird einzeln von der Steuereinheit 18 gesteuert und gemeinsam bildet ein so genanntes individuelles Dosiersystem. Die Steuerventile 14–17 des individuellen Dosiersystems können aus Schieberventilen oder Tellerventilen bestehen und sie werden vorzugsweise proportional gesteuert, um eine gute Positionssteuerung des Kolbens 13 zu erlauben. Das erste und das zweite Steuerventil 14, 15 sind bidirektionale Steuerventile, die proportional in beide Strömungsrichtungen betrieben werden können. Dadurch können das erste und das zweite Steuerventil 14, 15 die Bewegung und Geschwindigkeit des Kolbens präzis steuern sowie zum Beispiel das Rückgewinnungsniveau während der Rückgewinnungsbetriebsart steuern. Das dritte und das vierte Steuerventil 16, 17 sind Einrichtungs-Steuerventile, die proportional in die Strömungsrichtung von dem Hydraulikzylinder 1 zu dem Tank 3 betrieben werden können und als Rückschlagventile in die entgegengesetzte Strömungsrichtung wirken.
Der Hydraulikspeicher 7 ist auf der Tankseite des Hydraulikzylinders 1 eingerichtet und strömungstechnisch mit der Rücklaufleitung 5 an einem Speicherkupplungspunkt 20 mittels einer Speicherleitung 21 verbunden. Fluid, das von dem Hydraulikspeicher 7 zu der Deckelendkammer 8 oder Stangenendkammer 9 strömt, wird proportional von einem Speichersteuerventil 19 gesteuert, das auf der Speicherleitung 21, die den Hydraulikspeicher 7 mit der Rücklaufleitung 5 verbindet, eingerichtet ist. Alternativ kann der Speicher ein einfaches Ein-Aus-Steuerventil sein und das dritte und das vierte Steuerventil 16, 17 können bidirektionale Steuerventile sein, die proportional in beide Strömungsrichtungen betrieben werden können.
Das Energierückgewinnungssystem 6 weist neben dem Hydraulikspeicher 7 und dem Speichersteuerventil 19 auch ein Gegendruckventil 10 auf, das auf der Rücklaufleitung 5 zwischen dem Speicherkupplungspunkt 20 und dem Tank 3 eingerichtet ist. Das Gegendruckventil 10 steuert das Laden des Hydraulikspeichers 7. Das Gegendruckventil 10, das den Fluiddruck in der Rücklaufleitung 5 und der Speicherleitung 21 anhebt, ist an dem Einlass des Tanks 3 platziert. Das Gegendruckventil 10 ist vorzugsweise mittels eines elektrischen Signals von der Steuereinheit 18 hilfsgesteuert, um Gegendruck nur zu geben, wenn ein Signal von der Steuereinheit 18 empfangen wird.
Die Steuereinheit 18 ist normalerweise konfiguriert, um, während so wenig Energie wie möglich von der Pumpe 2 verwendet wird, die Ventileinrichtung des Hydrauliksystems derart zu steuern, dass der Hydraulikzylinder 1 der Referenzgeschwindigkeit folgt, die von dem Bediener des Systems gegeben wird, zum Beispiel mittels eines Joysticks 22 eingegeben wird. Die Steuereinheit 18 bestimmt basierend auf Systeminformationen, wie zum Beispiel Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Hydraulikzylinders 1 und des Fluiddrucks in der Deckelendkammer 8, Stangenendkammer 9, Versorgungsleitung 4, Rücklaufleitung 5, dem Hydraulikspeicher 7, welche Betriebsart am besten für die vorliegende Situation geeignet ist. Die Systeminformationen werden in der Hauptsache mit nicht gezeigten Sensoren erfasst, die an geeigneten Stellen in dem System positioniert sind. Die Steuereinheit 18 ist ferner konfiguriert, um das Laden des Hydraulikspeichers 7 zu steuern.
Das Laden des Hydraulikspeichers 7 wird in der Hauptsache durch Lenken druckbeaufschlagten Fluids, das anderenfalls zu dem Tank 3 gelenkt würde, in den Speicher 7, ausgeführt. Diese Art von Laden fällt daher unter Energierückgewinnungsladen. Das Lenken druckbeaufschlagten Fluids in den Speicher erfolgt durch Einschränkung des Stroms durch das Gegendruckventil 10, was zu gesteigertem Fluiddruck an dem Speicherkupplungspunkt 20 führt. Sobald der Fluiddruck an dem Speicherkupplungspunkt 20 den Fluiddruck innerhalb des Speichers 7 überschreitet, öffnet das Rückschlagventil des Speichersteuerventils und Fluid wird in den Speicher 7 gelenkt. Sollte die Steuereinheit 18 anschließend erfassen, dass der Hydraulikzylinder 1 Gefahr läuft, nicht mehr in der Lage zu sein, der Referenzgeschwindigkeit des Hydraulikspeichers 7, die von dem Bediener eingestellt wird, zu folgen, wird das Steigern des Stroms durch das Gegendruckventil 10 erlaubt. Im Allgemeinen, bestimmen das erste, zweite, dritte und vierte Steuerventil 14, 15, 16, 17 jedoch die Bewegung des Hydraulikzylinders 1 kombiniert mit der Pumpe 2. Druckbeaufschlagtes Fluid, das den Hydraulikzylinder 1 verlässt, kann bei mehreren verschiedenen Betriebsarten und Zylinderbetriebsarten auftreten, zum Beispiel während eines Freilauflastzustands oder eines Trägheitslastzustands. Das Laden des Speichers 7 kann auch auftreten, wenn der Pumpenhub nicht in einem Ausmaß veränderlich ist, das die Steuereinheit 18 erfordert und druckbeaufschlagtes Fluid von der Pumpe wäre anderenfalls zu dem Tank 3 gelenkt worden. Eine nicht illustrierte zusätzliche Pumpen – Speicher – Leitung könnte zum Beispiel in dem System zum Zweck des direkten Ladens des Speichers 7 enthalten sein. Das Laden des Speichers 7 kann auch durch Zuführen druckbeaufschlagten Fluids, das aus anderen hydraulischen Stellantrieben des Hydrauliksystems austritt, wie zum Beispiel anderen Hydraulikzylindern oder Hydraulikmotoren, zu dem Speicher 7 ausgeführt werden.
Unten wird ein Energierückgewinnungsverfahren für ein Hydrauliksystem ausführlich unter Bezugnahme auf einige beispielhafte spezifische Betriebssituationen erklärt. Der Betrieb des erfindungsgemäßen Niederdruck-Nachfüll-Energierückgewinnungsbetriebs ist bei den folgenden drei Zylinderbetriebsarten besonders vorteilhaft:

1. Rückgewinnungsbetriebsart kombiniert mit einem positiven Kolbenhub, wobei die Deckelend-Expansionskammer 8 mit Fluid aus dem Speicher 7 nachgefüllt wird.
2. Rückgewinnungsbetriebsart kombiniert mit einem negativen Kolbenhub, wobei die Stangenendkammer 9 mit Fluid aus dem Speicher 7 nachgefüllt wird.
3. Rückgewinnungsbetriebsart kombiniert mit einem positiven Kolbenhub, wobei die Deckelend-Expansionskammer 8 mit Fluid von dem Speicher 7 nachgefüllt wird.

Bei der oben beschriebenen ersten Zylinderbetriebsart wird potentielle Energie von der Last und der sich bewegenden Maschinenausrüstung zurückgewonnen und zu anderen Hydraulikverbrauchern des Hydrauliksystems übertragen oder verwendet, um die Pumpe 2 als Hydraulikmotor zu betreiben. Das Fluid, das erforderlich ist, um die Deckelend-Expansionskammer 8 des Hydraulikzylinders nachzufüllen, wird mindestens teilweise von dem Hydraulikspeicher 7 genommen, und die vorliegende Zylinderbetriebsart ist daher ausführbar, sobald der Speicher 7 ausreichend geladen ist. Es ist kein druckbeaufschlagtes Fluid von der Pumpe 2 erforderlich.
Die zweite oben beschriebene Zylinderbetriebsart ist ähnlich wie die erste Zylinderbetriebsart, und potentielle Energie von der Last und der sich bewegenden Maschinenausrüstung wird auch hier zurückgewonnen und zu anderen Hydraulikverbrauchern des Hydrauliksystems übertragen oder verwendet, um die Pumpe 1 als Hydraulikmotor zu betreiben. Das Fluid, das erforderlich ist, um die Stangenendkammer 9 des Hydraulikzylinders 1 nachzufüllen, wird mindestens teilweise von dem Hydraulikspeicher 7 genommen, und die vorliegende Zylinderbetriebsart ist daher ausführbar, sobald der Speicher 7 ausreichend geladen ist. Es ist kein druckbeaufschlagtes Fluid von der Pumpe 2 erforderlich.
Die dritte Zylinderbetriebsart verwendet Fluid mindestens teilweise von dem Niederdruckspeicher 7 zum Nachfüllen der Deckelend-Expansionskammer 8. Zusätzliches Nachfüllfluid ist während diese Zylinderbetriebsart aufgrund des Unterschieds der Querschnittsfläche der Stangenend- und Deckelendseite des Kolbens 13 in dem Hydraulikzylinder 1 erforderlich, wodurch die Fluidmenge, die aus der Stangenendkammer 9 ausgetrieben wird, nicht ausreicht, um die Deckelend-Expansionskammer 8 nachzufüllen. Ohne Nachfüllfluid von dem Speicher 7 wäre Fluid von anderen Quellen erforderlich, zum Beispiel von der Pumpe 2, oder von anderen hydraulischen Stellantrieben des Hydrauliksystem, die sich gleichzeitig bewegen und in der Lage sind, das erforderliche Nachfüllfluid zu liefern. Es ist keine wesentliche Menge an druckbeaufschlagtem Fluid von der Pumpe 2 erforderlich.
Der Betrieb der erfindungsgemäßen Niederdruck-Nachfüll-Energierückgewinnungsbetriebsart ist bei den oben beschriebenen drei Zylinderbetriebsarten besonders vorteilhaft, aber die Niederdruck-Nachfüll-Energierückgewinnungsbetriebsart ist auch bei anderen Zylinderbetriebsarten vorteilhaft. Das Nachfüllen der Expansionskammer ist zum Beispiel auch in der neutralen Betriebsbetriebsart erforderlich, und aufgrund der Erfindung kann dieses Nachfüllen mittels Fluid von dem Speicher 7 an Stelle von Fluid von der Pumpe 2 oder anderen nicht zuverlässigen Fluidquellen erfolgen.
Das Hydrauliksystem ist konfiguriert, um den Hydraulikspeicher 7 zum Lagern von Hydraulikfluid zum Zweck des Nachfüllens zu verwenden. Da das Fluid des Speichers 7 nicht angepasst ist, um die einzige oder zusätzliche Leistungsquelle für angetriebenes Ausfahren und Zurückziehen eines Hydraulikzylinders zu sein, besteht kein Bedarf daran, Hochdruckfluid innerhalb des Sammlers zu lagern. Daher wird nur Niederdruckfluid in dem Speicher 7 gelagert. Der Speicher 7 kann zum Beispiel typisch angepasst sein, um Hydraulikfluid zu lagern, das einen Fluiddruck zwischen 0 und 50 bar, vorzugsweise 0 und 30 bar hat. Das kann mit einem Fluiddruck von etwa 300 bar für Hydraulikspeicher verglichen werden, die auf der Pumpenseite der hydraulischen Stellantriebe eingerichtet sind, zum Beispiel die Fluidseite mit hohem Potenzial, und die angepasst sind, um für das angetriebene Ausfahren und Zurückziehen der hydraulischen Stellantriebe verwendet zu werden.
Die Steuereinheit 18 wechselt während des Betriebs des Hydrauliksystems häufig zwischen den verschiedenen Betriebsbetriebsarten. Eine typische moderne Baggeranwendung der Erfindung, wie in 2 illustriert, weist zum Beispiel eine hydraulisch betriebene Auslegereinheit mit einem Ausleger 23 auf, der schwenkend an der Kabine 26 des Fahrzeugs befestigt ist, eine Stange 24, die schwenkend an dem Ausleger 23 befestigt ist, und einen Becher 25, der schwenkend an der Stange 24 befestigt ist. Bei einer Situation, in der der Hydraulikzylinder 1 mit der Stange 24 der Auslegereinheit verbunden ist, und bei der die Stange 24 eine Bewegung aus einer nahezu horizontalen Ausrichtung beginnt, wie von dem Pfeil in 2 in einem Freilauflastzustand abwärts schwenkt, um eine vertikale Ausrichtung zu erreichen, und dann dieselbe Bewegung in einem Widerstandslastzustand fortsetzt, um eine Endposition zu erreichen, wo die Stange 24 wieder eine geneigte Konfiguration hat, kann die Steuereinheit 18 zum Beispiel anfänglich auswählen, das Hydrauliksystem in einer Rückgewinnungs- oder regenerativen Betriebsart während des Senkens der Last zum Zweck des Zurückgewinnens der potentiellen Energie der Last in dem Becher 25 und der Stange 24 betreiben. Beim Annähern der vertikalen Ausrichtung der Stange 24 kann die Steuereinheit 18 der neutralen Betriebsart aufgrund des verringerten Niveaus an verfügbarer potentieller Energie auswählen, und wenn die Geschwindigkeit der Stange 24 Gefahr läuft, unter die Geschwindigkeitsreferenz, die von dem Bediener eingestellt wird, zu fallen, wählt die Steuereinheit 18 die normale Betriebsart aus, um die erforderliche Geschwindigkeit beizubehalten und dann die Last wieder zu heben, wenn die Stange 24 die vertikale Position passiert und sich der Kabine 26 des Baggers nähert. Ohne Nachfüllfluid von dem Speicher 7 wäre weder die Rückgewinnungs- noch die regenerative Betriebsart möglich gewesen, und druckbeaufschlagtes Fluid von der Pumpe 2 wäre zum Zweck des Nachfüllens erforderlich gewesen, da kein Nachfüllfluid von irgendeinem anderen Fluid-Stellantrieb verfügbar war.
Während der anfänglichen Bewegung von der horizontalen Ausrichtung zu der nahezu vertikalen Ausrichtung, wird Fluid von dem Speicher 7 zu der Deckelend-Expansionskammer 8 des Hydraulikzylinders 1 verbunden mit der Bewegung der Stange 24 zum Zweck des Nachfüllens der Kammer 8 gelenkt. An einem bestimmten Augenblick ist ein Übergang von dem Freilauflastzustand auf den Widerstandslastzustand erforderlich. Zum Zweck des Bereitstellens eines relativ reibungslosen Übergangs von dem Freilauflastzustand zu dem Widerstandslastzustand, kann eine kleine Fluidmenge während bestimmter vorteilhafter Betriebsarten von der Pumpe 2 in die Expansionskammer 8 des Hydraulikzylinders 1 bereits während des Freilauflastzustands zusätzlich zu dem Fluid von dem Speicher 7 gelenkt werden. Da das erste und das zweite Steuerventil 14, 15 proportional gesteuert werden, ist es leicht, das Fluidversorgungsniveau von der Pumpe 2 zu steuern. Das Hydrauliksystem ist jedoch normalerweise konfiguriert, um den Hauptteil des Fluids von dem Speicher 7 und nur einen kleinen Teil von der Pumpe 2 zum Zweck des Verwirklichens eines hohen Energierückgewinnungsniveaus zu liefern.
3 illustriert schematisch das erfindungsgemäße Energierückgewinnungsverfahren und System der 1, enthält hier aber schematisch auch einen anderen hydraulischen Stellantrieb 27 in der Form eines doppelt wirkenden Hydraulikzylinders, der mit dem Hydraulikzylinder 1 parallel geschaltet ist. Das Hydrauliksystem kann natürlich viele weitere nicht illustrierte hydraulische Stellantriebe, die strömungstechnisch mit der Pumpe 2 und dem Hydraulikspeicher 7 verbunden sind, enthalten. Zu bemerken ist auch, dass die Steuereinheit 18, der Joystick 22 und die dazugehörenden Steuerleitungen in 3 nicht illustriert sind. Die Deckel- und Stangenendkammer des anderen hydraulischen Stellantriebs 27 sind vorzugsweise mit der Pumpe 2 jeweils über ein fünftes und sechstes Steuerventil 28, 29 verbunden, und die Deckel- und Stangenendkammern des anderen hydraulischen Stellantriebs 27 sind jeweils vorzugsweise mit dem Tank 3 und dem Hydraulikspeicher 7 über das siebte und achte Steuerventil 30, 31 verbunden. Das fünfte und sechste Steuerventil 28, 29 sind im Wesentlichen mit dem ersten und dem zweiten Steuerventil 14, 15 identisch, und das siebte und achte Steuerventil 30, 31 sind im Wesentlichen mit dem dritten und vierten Steuerventil 16, 17 identisch. Aus 1 und 3 ist klar, dass das Energierückgewinnungssystem 6, das den Hydraulikspeicher 7 enthält, auf der Niederpotenzial-Fluidseite des Hydrauliksystems nahe dem Tank 3 eingerichtet ist. Daher kann Fluid, das aus dem Hydraulikzylinder 1 oder aus dem anderen hydraulischen Stellantrieb 27 austritt, zu dem Hydraulikspeicher über das dritte, vierte, siebte oder achte Steuerventil 16, 17, 30, 31 zum Laden des Speichers 7 gelenkt werden, und Fluid von dem Hydraulikspeicher 7 kann ausgelassen und zu dem Hydraulikzylinder 1 und/oder zu dem anderen hydraulischen Stellantrieb 27 zum Zweck des Nachfüllens über das dritte, vierte, siebte oder achte Steuerventil 16, 17, 30, 31 geliefert werden. Das dritte, vierte, siebte oder achte Steuerventil 16, 17, 30, 31 sind daher zwischen den hydraulischen Stellantrieben und dem Energierückgewinnungssystem 6 eingerichtet.
Der Begriff anderer hydraulischen Stellantrieb, wie er hier verwendet wird, bezeichnet allgemein jede Vorrichtung, wie zum Beispiel eine Zylinder-Kolben-Einrichtung oder zum Beispiel einen Drehmotor, die Hydraulikfluidstrom in mechanische Bewegung und umgekehrt umwandelt.
Der Begriff Widerstandslast definiert eine Last, die sich der Bewegungsrichtung des Stellantriebs widersetzt. Die Richtung der Lastreaktion ist zu der Bewegungsrichtung des Stellantriebs oder eines Bauteils der Bewegungsrichtung entgegengesetzt.
Der Begriff Freilauflast, manchmal eine negative Last genannt, definiert eine Last, die dieselbe Richtung hat wie die Bewegung des Stellantriebs oder ein Bauteil der Bewegungsrichtung.
Der Begriff Trägheitslast definiert eine Last, bei der die Lastreaktion auf dem Stellantrieb im Wesentlichen durch Newtons zweites Bewegungsgesetz gekennzeichnet ist.
Bezugszeichen, die in den Ansprüchen erwähnt sind, sollten nicht als das Ausmaß des von den Ansprüchen geschützten Gegenstands einschränkend betrachtet werden, und ihre einzige Funktion ist es, die Ansprüche leichter verständlich zu machen. Wie man erkennt, kann die Erfindung in verschiedenen offensichtlichen Hinblicken geändert werden, alle ohne Abweichen vom Geltungsbereich der anliegenden Ansprüche. Die Zeichnungen und die Beschreibung müssen daher als veranschaulichend und nicht einschränkend betrachtet werden.
Bezugszeichenliste

1: Hydraulikzylinder
2: Pumpe
3: Tank
4: Versorgungsleitung
5: Rücklaufleitung
6: Energierückgewinnungssystem
7: Hydraulikspeicher
8: Deckelendkammer
9: Stangenendkammer
10: Gegendruckventil
11: Leistungsquelle
12: Gleitstange
13: Kolben
14: Erstes Steuerventil
15: Zweites Steuerventil
16: Drittes Steuerventil
17: Viertes Steuerventil
18: Steuereinheit
19: Speichersteuerventil
20: Speicherkupplungspunkt
21: Speicherleitung
22: Joystick
23: Ausleger
24: Stange
25: Becher
26: Kabine
27: Anderer hydraulischer Stellantrieb
28: Fünftes Steuerventil
29: Sechstes Steuerventil
30: Siebtes Steuerventil
31: Achtes Steuerventil

Claims

Energierückgewinnungsverfahren für ein Hydrauliksystem, das einen Hydraulikzylinder (1), eine Pumpe (2), einen Tank (3), eine Versorgungsleitung (4), eine Rücklaufleitung (5) und einen Hydraulikspeicher (7) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte des Ladens des Hydraulikspeichers (7) und des Lagerns von Fluid in dem Hydraulikspeicher (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Energierückgewinnungsverfahren außerdem den Schritt des Lenkens von Fluid von dem Hydraulikspeicher (7) in eine Expansionskammer (8, 9) des Hydraulikzylinders (1) während eines Freilauflastzustands aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikzylinder (1) ein doppelt wirkender Hydraulikzylinder ist, der eine Stangenendkammer (9) und eine Deckelendkammer (8) aufweist, und dass das Fluid von dem Hydraulikspeicher (1) in eine Deckelend-Expansionskammer (8) des Hydraulikzylinders (1) während des Freilauflastzustands gelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelend-Expansionskammer (8) und die Stangenendkammer (9) strömungstechnisch während des Schritts des Lenkens von Fluid von dem Hydraulikspeicher (7) in eine Expansionskammer (7, 8) des Hydraulikzylinders (1) verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikzylinder (1) ein doppelt wirkender Zylinder ist, der eine Stangenendkammer (9) und eine Deckelendkammer (8) aufweist, und dass das Fluid von dem Hydraulikspeicher (7) in eine Stangenend-Expansionskammer (9) des Hydraulikzylinders während des Freilauflastzustands gelenkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Fluid von der Pumpe (2) in die Expansionskammer (8, 9) des Hydraulikzylinders (1) während des Freilauflastzustands gelenkt wird, so dass ein relativ reibungsloser Übergang von einem Freilauflastzustand zu einem Widerstandslastzustand erzielt werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Fluid, das aus einem anderen hydraulischen Stellantrieb (27) des Hydrauliksystems austritt, in die Expansionskammer (8, 9) des Hydraulikzylinders (1) während des Freilauflastzustands gelenkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid, das aus dem Hydraulikzylinder (1) heraus forciert wird, mindestens teilweise zu der Pumpe (2) für Rückgewinnungsbetrieb des Hydrauliksystems gelenkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ladens des Hydraulikspeichers (7) das Lenken von Fluid, das aus einem Hydraulikzylinder (1) oder einem anderen hydraulischen Stellantrieb (27) des Hydrauliksystems austritt, in den Hydraulikspeicher (7) während eines Freilauflastzustands, und/oder das Lenken von Fluid von der Pumpe (2) in den Hydraulikspeicher (7) bedingt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikspeicher (7) strömungstechnisch mit der Rücklaufleitung (5) an einem Speicherkupplungspunkt (20) verbunden ist, und dass ein Gegendruckventil (10) an der Rücklaufleitung (5) zwischen dem Speicherkupplungspunkt (20) und dem Tank (3) zum Regeln des Ladedrucks des Hydraulikspeichers (7) eingerichtet ist.
Hydrauliksystem, das einen Hydraulikzylinder (1), eine Pumpe (2), die konfiguriert ist, um Fluid zu mindestens dem Hydraulikzylinder (1) zu liefern, einen Tank (3), eine Versorgungsleitung (4), die die Pumpe (2) und den Hydraulikzylinder (1) verbindet, eine Rücklaufleitung (5), die den Hydraulikzylinder (1) mit dem Tank (3) verbindet, und einen Hydraulikspeicher (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrauliksystem konfiguriert ist, um Fluid von dem Hydraulikspeicher (7) in eine Expansionskammer (8, 9) des Hydraulikzylinders (1) während eines Freilauflastzustands zu lenken.
Hydrauliksystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikzylinder (1) ein doppelt wirkender Hydraulikzylinder ist, der eine Stangenendkammer (9) und eine Deckelendkammer (8) aufweist, und dass das Hydrauliksystem konfiguriert ist, um Fluid von dem Hydraulikspeicher (7) in eine Deckelend-Expansionskammer (8) oder Stangenende-Expansionskammer (9) des Hydraulikzylinders (1) während des Freilauflastzustands zu lenken.
Hydrauliksystem nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikspeicher (7) auf der Tankseite des Hydraulikzylinders (1) eingerichtet ist, insbesondere zwischen irgendwelchen Hydraulikzylinder-Dosierventilen (16, 17, 30, 31) des Hydrauliksystem und dem Tank (3).
Hydrauliksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikspeicher (7) strömungstechnisch mit der Rücklaufleitung (5) an einem Speicherkupplungspunkt (20) verbunden ist, und dass ein Gegendruckventil (10) an der Rücklaufleitung (5) zwischen dem Speicherkupplungspunkt (20) und dem Tank (3) zum Regeln des Ladedrucks des Hydraulikspeichers (7) eingerichtet ist.
Hydrauliksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrauliksystem ferner ein erstes Steuerventil (14) aufweist, das eingerichtet ist, um den Hydraulikfluidstrom zwischen mindestens der Pumpe (2) und der Deckelendkammer (8) des Hydraulikzylinders (1) zu steuern, ein zweites Steuerventil (15), das eingerichtet ist, um den Hydraulikfluidstrom zwischen mindestens der Pumpe (2) und der Stangenendkammer (9) des Hydraulikzylinders (1) zu steuern, ein drittes Steuerventil (16), das eingerichtet ist, um den Hydraulikfluidstrom zwischen mindestens der Deckelendkammer (8) des Hydraulikzylinders (1) und dem Tank (3) zu steuern, und ein viertes Steuerventil (17), das eingerichtet ist, um den Hydraulikfluidstrom zwischen mindestens der Stangenendkammer (9) des Hydraulikzylinders (1) und dem Tank (3) zu steuern.
Hydrauliksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrauliksystem ferner eine Steuereinheit (18) aufweist, und dass jedes des ersten, zweiten, dritten und vierten Steuerventils (14, 15, 16, 17) einzeln von der Steuereinheit (18) gesteuert wird.