DE102011007765A1

DE102011007765A1 - Kolbenspeicher mit Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines in dem Kolbenspeicher verlagerbaren Trennelementes

Info

Publication number: DE102011007765A1
Application number: DE102011007765A
Authority: DE
Inventors: Stefan Weiss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2012-10-25
Also published as: WO2012143171A1

Abstract

Es wird ein Kolbenspeicher (1) zur hydraulischen oder pneumatischen Speicherung von Energie beschrieben, bei dem ein Trennelement (5) innerhalb eines Speichergehäuses (3) entlang einer Verlagerungsrichtung (7) verlagert werden kann. Eine aktuelle Position des Trennelements (5) wird dabei mit Hilfe einer optischen Messvorrichtung (27) beispielsweise in Form eines Laserabstandsmessgerätes berührungsfrei bestimmt. Die Messvorrichtung (27) kann hierzu Licht von einer Lichtquelle (29) hin zu einer gegenüberliegenden Oberfläche des Trennelementes (5) emittieren und dort reflektiertes Licht mit Hilfe eines Lichtdetektors (31) detektieren. Aus der Laufzeit des Lichtes kann auf die Position des Trennelementes (5) rückgeschlossen werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenspeicher.
STAND DER TECHNIK
Kolbenspeicher, die teilweise auch als Hydrospeicher bezeichnet werden, können dazu eingesetzt werden, große Mengen an Energie hydraulisch oder pneumatisch zu speichern und bei Bedarf schnell und einfach verwertbar wieder freizusetzen. Beispielsweise werden Kolbenspeicher in Fahrzeugen eingesetzt, wo sie zum Beispiel einer Mobilhydraulik Energie zur Verfügung stellen können. Diese Energie kann beispielsweise in einem antriebslosen Zustand des Fahrzeugs als Backup-Energie bereitgestellt werden oder einen Antrieb des Fahrzeugs unterstützen, so dass insgesamt Energieeinsparungen beim Betrieb des Fahrzeugs möglich sind. Insbesondere bei sogenannten Hydraulikhybridfahrzeugen werden Kolbenspeicher dazu verwendet, Energie, die beispielsweise beim Abbremsen von Rädern erzeugt wird, zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt einem Antriebssystem des Fahrzeugs beispielsweise zum Unterstützen einer Beschleunigung des Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen. Solche Hydraulikhybridsysteme kommen insbesondere bei Lastkraftwagen und Bussen zum Einsatz.
Konventionelle Kolbenspeicher, wie sie zum Beispiel in der DE 10 2006 060 078 A1 beschrieben sind, weisen ein meist zylindrisch geformtes Speichergehäuse auf. In diesem Speichergehäuse trennt ein Trennelement zwei Räume, die komprimierbares oder nicht-komprimierbares Fluid aufnehmen können. Das Trennelement ist hierbei innerhalb des Speichergehäuses verlagerbar, so dass das Volumen der beiden Fluidräume variiert werden kann.
Häufig ist der Kolbenspeicher derart ausgestaltet, dass in einen der Fluidräume ein komprimierbares Fluid eingeleitet wird, wohingegen in den anderen Fluidraum ein nicht-komprimierbares Fluid eingeleitet wird. Der das komprimierbare Fluid aufnehmende Raum ist auf einer Seite durch das Trennelement und auf einer gegenüberliegenden Seite durch einen Deckel, der auch integral mit dem Speichergehäuse ausgebildet sein kann, dichtend abgeschlossen. Der das nicht-komprimierbare Fluid aufnehmende Fluidraum steht mit einem geeigneten Ventilsystem in Verbindung, über das das nicht-komprimierbare Fluid in den Raum ein- bzw. aus dem Raum abfließen kann.
Wird das nicht-komprimierbare Fluid in den entsprechenden Fluidraum eingeleitet, bewegt sich das Trennelement unter dem von dem Fluid bewirkten Druck derart, dass der das komprimierbare Fluid enthaltende Fluidraum verkleinert wird, wobei das darin enthaltene Fluid komprimiert wird. Dadurch kann Energie in dem komprimierten Fluid gespeichert werden. Diese Energie kann bei Bedarf durch Ablassen des nicht-komprimierbaren Fluids wieder aus dem Hydraulikhybridsystem zur Verfügung gestellt werden.
Um einen Speicherinhalt eines Kolbenspeichers ermitteln zu können und/oder um verhindern zu können, dass das Trennelement an eine Endlage anschlägt, ist es in der Regel notwendig, eine Position des Trennelementes innerhalb des Speichergehäuses zu ermitteln und zu überwachen. Hierzu werden herkömmlich meist mechanische Systeme wie zum Beispiel herausgeführte Kolbenstangen oder ein Seilzugmesssystem eingesetzt. Auch elektrische oder magnetische Methoden, wie zum Beispiel eine elektrische Endlagenschaltung, eine Magnetklappenanzeige oder Magnetkolben können hierzu verwendet werden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kolbenspeicher beschrieben, der eine Messvorrichtung zum Bestimmen einer aktuellen Position eines in dem Speichergehäuse verlagerbaren Trennelementes aufweist. Die Messvorrichtung weist dabei eine Lichtquelle, einen Lichtdetektor und eine Steuer-/Auswerteelektronik auf und ist dazu ausgelegt, die aktuelle Position des Trennelementes durch eine Laufzeitmessung von Licht zu bestimmen.
Eine Grundidee hierbei ist, dass die Position des innerhalb des Speichergehäuses verlagerbaren Trennelementes optisch und somit berührungslos ermittelt werden kann. Hierzu können beispielsweise optisch arbeitende Messvorrichtungen eingesetzt werden, wie sie in ähnlicher Weise bereits als Laserabstandsmessgeräte zur Ausmessung von Distanzen beispielsweise innerhalb von Räumen eingesetzt werden.
Aufgrund der optischen Messung der Position des Trennelementes kann auf mechanisch bewegte Teile zur Bestimmung der Position verzichtet werden. Dies ermöglicht eine zuverlässige, verschleißfreie und kostengünstige Positionserfassung.
Die optische Messvorrichtung kann als Lichtquelle einen Laser aufweisen. Licht kann von der Lichtquelle in einer Richtung hin zu dem Trennelement ausgesendet werden, dort reflektiert werden und dann durch einen in der Messvorrichtung vorgesehenen Lichtdetektor detektiert werden. Aufgrund einer Laufzeitmessung dieses Lichts kann auf die aktuelle Position des Trennelementes geschlossen werden. Hierzu kann die Steuer-/Auswerteelektronik die Lichtquelle derart ansteuern, dass die emittierte Lichtstärke zeitlich moduliert ist, so dass die Laufzeit des emittierten Lichts bis zur Detektion aufgrund einer Phasenverschiebung zwischen dem von der Lichtquelle emittierten Licht und dem von dem Lichtdetektor detektierten Licht bestimmt werden kann. Mit Hilfe einer solchen Laufzeitmessung von (Laser-)Licht kann die Position des Trennelementes innerhalb des Speichergehäuses schnell und mit hoher Präzision bestimmt werden.
Die Messvorrichtung kann dazu ausgelegt sein, Licht für die Laufzeitmessung durch einen der Fluidräume hindurch zu transmittieren. Hierbei kann das Speichergehäuse ein optisch transparentes Element wie beispielsweise eine Scheibe aus Glas oder einem anderen transparenten Material aufweisen. Die Messvorrichtung einschließlich ihrer Lichtquelle kann somit außerhalb des Speichergehäuses angebracht werden und Licht durch das transparente Element hin zu dem verlagerbaren Trennelement im Innern des Speichergehäuses transmittieren. Hierdurch kann einerseits erreicht werden, dass die Messvorrichtung in einfacher Weise außen an dem Speichergehäuse angebracht werden kann und beispielsweise gegebenenfalls einfach von außen gewartet oder ausgetauscht werden kann. Andererseits kann dadurch, dass das von der Lichtquelle der Messvorrichtung emittierte Licht durch einen der Fluidräume transmittiert wird, erreicht werden, dass äußere Einflüsse wie beispielsweise Lichtabsorbierende Verschmutzungen innerhalb des Lichtstrahlengangs weitgehend vermieden werden können.
Innerhalb des Kolbenspeichers kann einer der Fluidräume dazu ausgebildet sein, ein gasförmiges Fluid aufzunehmen, wohingegen ein anderer der Fluidräume beispielsweise dazu ausgelegt sein kann, ein flüssiges Fluid aufzunehmen. Als Gas kann hierbei beispielsweise Stickstoff verwendet werden. Als Flüssigkeit kann eine Hydraulikflüssigkeit wie zum Beispiel ein Öl eingesetzt werden.
In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, die Messeinrichtung derart auszulegen, dass sie Licht durch denjenigen Fluidraum, der zur Aufnahme von Gas ausgebildet ist, hin zu dem Trennelement transmittiert. Gas hat üblicherweise eine geringe optische Absorption und einen niedrigen Brechungsindex, so dass ein großer Teil des transmittierten und an dem Trennelement reflektierten Lichts auf den Lichtdetektor treffen und dort detektiert werden kann. Durch die geringen Lichtverluste innerhalb des mit Gas gefüllten Fluidraumes können hohe Signalstärken und insbesondere gute Signal-Rausch-Verhältnisse erreicht werden.
Prinzipiell ist es jedoch auch vorstellbar, Licht von der optischen Messvorrichtung durch einen mit einer Flüssigkeit gefüllten Fluidraum hin zu dem Trennelement zu transmittieren, wobei hierbei jedoch beispielsweise aufgrund des hohen Brechungsindex der Flüssigkeit die Bedingungen zur Erreichung einer präzisen, zuverlässigen Laufzeitmessung schwieriger sein können.
Die optische Messvorrichtung kann an dem Speichergehäuse an einer Position angebracht sein, die dem verlagerbaren Trennelement entlang seiner Verlagerungsrichtung gegenüberliegt. Mit anderen Worten kann die Messvorrichtung derart angeordnet sein, dass das von ihr ausgesendete Licht im Wesentlichen parallel zu der Verlagerungsrichtung des Trennelementes verläuft. Auf diese Weise kann eine einfache Auswertung der Laufzeitmessung und Bestimmung der aktuellen Position des Trennelementes erreicht werden.
Das Trennelement kann dazu ausgelegt sein, das von der Lichtquelle kommende Licht zumindest teilweise gezielt hin zu dem Detektor zu reflektieren. Hierzu kann beispielsweise die zu der Messvorrichtung gerichtete Oberfläche des Trennelementes geeignete optische Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise kann die Oberfläche durch geeignete Oberflächenbehandlungen wie zum Beispiel ein Beschichten der Oberfläche oder ein Glätten der Oberfläche derart ausgestaltet sein, dass möglichst viel Licht direkt oder diffus reflektiert werden kann. Die Oberflächenbehandlung kann dabei unter anderem auf Eigenschaften des von der Messvorrichtung verwendeten Lichts, wie beispielsweise die Wellenlänge des verwendeten Lichts, abgestimmt sein. Außerdem kann die Geometrie der Oberfläche des Trennelements derart gewählt sein, dass das von der Lichtquelle der Messvorrichtung kommende Licht gezielt auf den Detektor der Messvorrichtung geleitet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend werden Details einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben, wobei die Beschreibung nicht die Erfindung einschränkend ausgelegt werden soll.
1 zeigt einen Kolbenspeicher gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine optische Abstandsmessvorrichtung zur Verwendung in einem Kolbenspeicher gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
1 zeigt einen Kolbenspeicher 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Kolbenspeicher 1 weist ein Speichergehäuse 3 in Form eines zylindrischen Rohres auf. Innerhalb des Speichergehäuses 3 ist ein Trennelement 5 entlang einer Verlagerungsrichtung 7 verlagerbar angeordnet. An seinen Enden ist das Speichergehäuse 3 jeweils mit Deckeln 9, 11 abgeschlossen und mit Hilfe von Dichtungen 13, 15 abgedichtet.
Das Trennelement 5 kann sich innerhalb des Speichergehäuses 3 zwischen den beiden Deckeln 9, 11 bewegen. Es können entsprechende Führungen für das Trennelement 5 vorgesehen sein. Alternativ kann die Außenkontur des Trennelements 5 derart an die Innenkontur des Speichergehäuses 3 angepasst sein, dass es zu einer Führung während des Verlagerns kommt. Das Trennelement 5 trennt dabei einen oberen Fluidraum 17 von einem unteren Fluidraum 19. Zur Abdichtung ist ein ringförmiges Dichtelement 21 vorgesehen.
Im Betrieb des Kolbenspeichers 1 wird in den oberen Fluidraum 17 durch ein Gasventil 23 Stickstoff ein- und ausgeleitet. In den unteren Fluidraum 19 kann durch einen Flüssigkeitsanschluss 25 eine Hydraulikflüssigkeit ein- und ausgeleitet werden. Da die Hydraulikflüssigkeit im Gegensatz zu dem Stickstoff nicht komprimierbar ist, kann durch Einleiten der Hydraulikflüssigkeit das kolbenartige Trennelement 5 in der in 1 gezeigten Darstellung vertikal nach oben verlagert werden und auf diese Weise der in dem oberen Fluidraum 17 enthaltene Stickstoff komprimiert werden. Dabei wird in dem komprimierten Stickstoff mechanisch Energie gespeichert, die bei Bedarf durch Ablassen von Stickstoff durch das Ventil 23 bzw. durch Ablassen von Hydraulikflüssigkeit durch den Flüssigkeitsanschluss 25 genutzt werden kann.
Um eine Position des Trennelementes 5 während des Betriebes des Kolbenspeichers zuverlässig ermitteln zu können, ist an dem Deckel 9 eine optische Messvorrichtung 27 vorgesehen. Diese Messvorrichtung 27 weist eine Lichtquelle 29 und einen Lichtdetektor 31 auf. Die Lichtquelle 29 sendet Licht 33 durch ein in dem Deckel 9 vorgesehenes optisch transparentes Element 35 und durch den oberen Fluidraum 17 hindurch hin zu dem Trennelement 5.
Das Trennelement 5 ist an seiner zu der optischen Messvorrichtung 27 gerichteten Oberfläche derart ausgestaltet, dass das auftreffende Licht 33 zumindest teilweise zurückreflektiert wird in Richtung des in der Messvorrichtung 27 enthaltenen Lichtdetektors 31. Hierzu kann es genügen, die Oberfläche des Trennelementes 5 mit einer ausreichenden optischen Reflexion zu versehen. Es kann beispielsweise für das Trennelement 5 ein stark reflektierendes Material gewählt werden oder die Oberfläche des Trennelementes 5 kann reflektierend beschichtet werden.
Es kann aber auch ein zusätzliches Reflexionselement 37 an der Oberfläche des Trennelementes 5 angeordnet werden, das geeignete reflektierende oder spiegelnde Eigenschaften aufweist. Das Reflexionselement 37 kann somit beispielsweise bei Wartungsarbeiten an dem Kolbenspeicher 1 gegebenenfalls gereinigt oder ausgetauscht werden. In ähnlicher Weise kann auch das transparente Element 35 entnehmbar ausgebildet sein, so dass auch dieses bei Bedarf gereinigt oder ausgetauscht werden kann.
Sowohl das transparente Element 35 als auch das Reflexionselement 37 sollten an dem Deckel 9 bzw. dem Trennelement 5 derart befestigt sein, dass sie den in dem Kolbenspeicher 1 herrschenden erheblichen Drücken standhalten können. Außerdem können das transparente Element 35 und das Reflexionselement 37 mit einer schmutzabweisenden Beschichtung versehen sein, sodass sich etwaiger im Fluidraum befindlicher Schmutz möglichst nicht daran festsetzen kann.
Mit Hilfe der optischen Messvorrichtung 27 kann eine Position des Trennelementes 5 innerhalb des Speichergehäuses 3 des Kolbenspeichers 1 jederzeit präzise bestimmt werden. Aufgrund der ermittelten Position des Trennelements 5 kann auf die Menge der in dem Kolbenspeicher 1 gespeicherten Energie rückgeschlossen werden. Außerdem kann durch eine Positionsüberwachung sichergestellt werden, dass das Trennelement 5 während des Betriebes des Kolbenspeichers nicht an einem der Deckel 9, 11 anschlägt.
In 2 sind Details der optischen Messvorrichtung 27 dargestellt. Eine Laserdiode 39 dient als Lichtquelle 29 und emittiert einen Lichtstrahl 41. Der Lichtstrahl 41 wird von einer Optik 43 kollimiert, so dass er sich entlang einer optischen Achse 45 durch ein transparentes Fenster 47 in dem Gehäuse 49 der Messvorrichtung 27 herausbewegen kann. Der kollimierte Lichtstrahl 51 kann dann an dem reflektierenden Element 37, das an der Oberfläche des Trennelementes 5 angeordnet ist, reflektiert werden und als Lichtstrahl 53 zurück zu der optischen Messvorrichtung 27 laufen. Dort tritt er durch ein weiteres transparentes Fenster 55 in das Gehäuse 49 ein. Die Ein- und Auskopplung der Lichtstrahlen 51, 53 durch getrennte Fenster 47, 55 kann unter anderem einer Trennung von Sende- und Empfangsbereich der Messvorrichtung 27 dienen, um beispielsweise einen optischen „Kurzschluss” zu vermeiden. Der rückreflektierte Lichtstrahl 53 kann dann durch eine weitere Optik 57 auf einen Lichtdetektor 59 fokussiert werden, um dort ein entsprechendes Lichtsignal detektieren zu können.
Um die optische Messvorrichtung 27 kalibrieren zu können, sind ferner zwei Spiegelelemente 63, 65 vorgesehen, die bei Bedarf in den Strahlengang des ausgesendeten kollimierten Lichts 45 eingeklappt werden können. Das Licht verlässt dann nicht mehr das Gehäuse 49, sondern wird innerhalb des Gehäuses direkt auf den Detektor 59 reflektiert. Da dabei der zurückgelegte Weg des Lichtes hierbei bekannt ist, kann auf diese Weise die Messvorrichtung 27 kalibriert werden.
Um einen Abstand x zwischen der optischen Messvorrichtung 27 und der Oberfläche des reflektierenden Elements 37 bestimmen zu können, ist eine Steuer-/Auswerteelektronik 61 dazu ausgelegt, die Laserdiode 39 derart anzusteuern, dass diese ein zeitlich moduliertes Laserlichtsignal aussendet. Die Steuer-/Auswerteelektronik 61 ist ferner dazu ausgelegt, das von dem Lichtdetektor 59 detektierte Signal aufzunehmen und aus einer Phasenverschiebung dieses modulierten Detektionssignals in Bezug auf das modulierte Steuersignal an die Laserdiode 39 eine Laufzeitmessung des von der Laserdiode 39 ausgesendeten und von dem Detektor 59 nach Reflexion an dem Trennelement 5 detektierten Lichts vorzunehmen. Aus dieser Laufzeitmessung kann bei bekannter Lichtgeschwindigkeit auf die Entfernung x und somit mit hoher Präzision auf die Position des Trennelements 5 innerhalb des Speichergehäuses 3 des Kolbenspeichers 1 geschlossen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006060078 A1 [0003]

Claims

Kolbenspeicher (1), aufweisend ein Speichergehäuse (3), ein Trennelement (5), welches innerhalb des Speichergehäuses entlang einer Verlagerungsrichtung (7) verlagerbar angeordnet ist, um innerhalb des Speichergehäuses zwei Fluidräume (17, 19) mit variablem Volumen voneinander zu trennen; und eine Messvorrichtung (27) zum Bestimmen einer aktuellen Position (x) des Trennelements innerhalb des Speichergehäuses; dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung eine Lichtquelle (29), einen Lichtdetektor (31) und eine Steuer-/Auswerteelektronik (61) aufweist und dazu ausgelegt ist, die aktuelle Position des Trennelements durch eine Laufzeitmessung von Licht (33) zu bestimmen.
Kolbenspeicher nach Anspruch 1, wobei die Messvorrichtung dazu ausgelegt ist, Licht für die Laufzeitmessung durch einen der Fluidräume zu transmittieren.
Kolbenspeicher nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest einer der Fluidräume (17) dazu ausgebildet ist, ein Gas aufzunehmen, und wobei die Messvorrichtung dazu ausgelegt ist, Licht für die Laufzeitmessung durch diesen Fluidraum zu transmittieren.
Kolbenspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Messvorrichtung dazu ausgelegt ist, die aktuelle Position des Trennelements durch eine Laufzeitmessung von Licht, das von der Lichtquelle ausgesendet wird, an dem Trennelement reflektiert wird und dann durch den Lichtdetektor detektiert wird, zu bestimmen
Kolbenspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Messvorrichtung an dem Speichergehäuse an einer Position angebracht ist, die dem Trennelement entlang der Verlagerungsrichtung gegenüber liegt.
Kolbenspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Speichergehäuse eine transparentes Element (35) aufweist und wobei die Messvorrichtung dazu ausgelegt ist, Licht durch das transparente Element hin zu dem Trennelement zu transmittieren.
Kolbenspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Trennelement dazu ausgelegt ist, von der Lichtquelle kommendes Licht zumindest teilweise hin zu dem Detektor zu reflektieren.
Kolbenspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Lichtquelle einen Laser (29) aufweist.
Kolbenspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Steuer-/Auswerteelektronik dazu ausgelegt ist, eine von der Lichtquelle emittierte Lichtstärke zeitlich zu modulieren und die Laufzeit aufgrund einer Phasenverschiebung zwischen dem von der Lichtquelle emittierten Licht und dem vom Lichtdetektor detektierten Licht zu bestimmen.
Verwendung einer optischer Abstandsmessvorrichtung (27) zur Bestimmung einer aktuellen Position (x) eines innerhalb eines Speichergehäuses (3) eines Kolbenspeichers (1) verlagerbaren Trennelementes (5).