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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Betätigungsanordnung zum Betätigen eines Ventils einer Pflanzenbehandlungsmittel-Ausbringungsvorrichtung.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Ventilanordnung mit einem Klappenventil und einer derartigen Betätigungsanordnung, sowie eine Pflanzenbehandlungsmittel-Ausbringungsvorrichtung mit einer solchen Ventilanordnung und ein entsprechendes Verfahren.
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Auf dem Gebiet der Pflanzenbehandlungsmittel-Ausbringungsvorrichtungen ist es bekannt, an einer Ventilleiste einer Feldspritze eine Mehrzahl von Ventilanordnungen anzuordnen, denen jeweils eine Düse zum Ausbringen von Pflanzenbehandlungsmittel zugeordnet ist. Solche Feldspritzen können an Traktoren oder anderen Feldbearbeitungsgeräten angebracht werden, so dass die Ventilleiste quer zur Fahrtrichtung ausgerichtet ist. Hierdurch können große Pflanzflächen effizient mit einem Pflanzenbehandlungsmittel behandelt werden. Die Düsen können an der Ventilleiste verstellbar sein, um eine Anpassung an Reihenweiten von Pflanzen zu erreichen.
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Aus dem Dokument Wegener, Jens Karl: Gezielter und flexibler - Trends in der Pflanzenschutztechnik. In: Frerichs Ludger (Hrsg.): Jahrbuch Agrartechnik 2019. Braunschweig: Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, 2020. S. 1-7, ist es bekannt, dass durch Pulsweitenmodulation verschiedene Ausbringmengen bei annähernd gleichem Druck und gleicher Tropfengröße mit nur einem Düsenkaliber möglich sind. Dies soll erreicht werden durch hochfrequentes An- und Ausschalten der Düsen, wobei die Länge der Einschaltzeit (Pulsweite) die Durchflussmenge bestimmt. Aktuelle Systeme sollen gemäß diesem Dokument mit 10 bis 50 Hz arbeiten.
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Aus dem Dokument
US 2022/0410195 A1 ist ein Ventilsteuersystem für Agrarprodukte bekannt. Ein hierbei verwendetes Verfahren zur Vermeidung von Spannungsspitzenbelastungen verwendet eine Vielzahl von Ventilen, die in Untergruppen unterteilt sind. Die Zuführung zu den Untergruppen erfolgt mit einer Zeitverzögerung auf der Grundlage einer Fahrzeuggeschwindigkeit und einer Gesamtanzahl der Vielzahl von Ventilen. Ferner können Ventile sukzessiv mit jeweiligen Untergruppen Zeitverzögerungen betätigt werden. In diesem Dokument wird als Ventil ein Solenoid-Ventil vorgeschlagen, das pulsweitenmodulations-gesteuert wird.
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Bei derartigen Magnet-Ventilanordnungen ist die Stromaufnahme relativ hoch, da das verwendete Magnetsystem nur einen relativ niedrigen Wirkungsgrad hat. In manchen Fällen kann die Stromaufnahme einer solchen Ventilanordnung im angesteuerten Zustand 1 A betragen. Da Feldspritzen eine Breite bis zu 36 m haben können, muss bei einer Anzahl von bspw. 90 Düsen im Stand der Technik folglich ein Strom von 90 A bereitgestellt werden. Durch das in dem Dokument
US 2022/0410195 A1 beschriebene Verfahren kann die momentane Strombelastung verringert werden. Hierdurch kann jedoch möglicherweise eine Anpassung an Fahrzeuggeschwindigkeiten und/oder Ausbringungsmengen pro Zeit nicht hinreichend flexibel bzw. nicht hinreichend einheitlich durchgeführt werden.
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Es ist folglich eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Betätigungsanordnung, eine verbesserte Ventilanordnung, eine verbesserte Pflanzenbehandlungsmittel-Ausbringungsvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren anzugeben, die einen besseren Wirkungsgrad hinsichtlich der Betätigung der Ventile haben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Betätigungsanordnung zum Betätigen eines Ventils einer Pflanzenbehandlungsmittel-Ausbringungsvorrichtung mittels eines Elektromotors, derart, dass eine Betätigungsfrequenz des Ventils proportional zu einer Drehzahl des Elektromotors ist, wobei dem Ventil eine maximale Betätigungsfrequenz zugewiesen ist und wobei der Elektromotor dynamisch ansteuerbar ist, so dass die Betätigungsfrequenz des Ventils zwischen Null und der maximalen Betätigungsfrequenz einstellbar ist, so dass das Ventil nach der Art einer PWM-Steuerung betätigbar ist.
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Die obige Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Ventilanordnung mit einem Klappenventil und einer Betätigungsanordnung der erfindungsgemäßen Art.
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Unter einem Klappenventil wird vorliegend ein Ventil verstanden, das eine Klappe bzw. einen Hebel aufweist, der um eine Achse verschwenkbar ist und an dem ein Dichtungselement zum Abdichten eines Ventilsitzes des Ventils ausgebildet ist. Ein Beispiel eines solchen Klappenventils ist beschrieben in dem Dokument
EP 1 811 216 B1 , auf dessen gesamte Offenbarung hinsichtlich der Betätigungsanordnung und des Klappenventils selbst vollumfänglich Bezug genommen wird.
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Schließlich wird die obige Aufgabe gelöst durch eine Pflanzenbehandlungsmittel-Ausbringungsvorrichtung mit wenigstens einer Ventilanordnung der erfindungsgemäßen Art und durch ein Verfahren zum Ausbringen von Pflanzenbehandlungsmittel mittels einer solchen Pflanzenbehandlungsmittel-Ausbringungsvorrichtung, mit dem Schritt, eine Ausbringungsmenge während einer Befahrung einer Pflanzfläche in Abhängigkeit einer Fahrgeschwindigkeit und/oder eines anderen Parameters durch Betätigen des Ventils nach der Art einer PWM-Steuerung zu steuern.
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Insgesamt wird die Erfindung ferner gelöst durch eine Verwendung einer Ventilanordnung, die ein elektromotorisch betätigtes Klappenventil aufweist, zur Steuerung einer Ausbringungsmenge eines Pflanzenbehandlungsmittels während einer Befahrung einer Pflanzfläche.
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Da ein Elektromotor generell eine deutlich höhere Effizienz hat als ein Elektromagnet, kann die Betätigung des Ventils nach der Art einer PWM-Steuerung mit sehr viel geringeren Strömen realisiert werden. Vorzugsweise beträgt die maximale Stromaufnahme einer Ventilanordnung der erfindungsgemäßen Art weniger als 0,5 A, da der Elektromotor vorzugsweise ein Gleichstrommotor mit einem Wirkungsgrad zwischen 90° und 95° ist.
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Der Elektromotor ist vorzugsweise ein schnelldrehender Gleichstrommotor, insbesondere ein schnelldrehender bürstenloser Gleichstrommotor, der eine hohe Dynamik hat.
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Beispiele derartiger Motoren sind BLDC-Motoren, wie sie auch bei kleineren Drohnen zum Einsatz kommen. Die Drehzahl derartiger Gleichstrommotoren kann bis zu 36.000 U/min also 600U/sec betragen. Die Nennleistung kann beispielsweise im Bereich von einigen wenigen Watt bis zu etwa 50 Watt liegen. Eine typische Stromaufnahme im Betrieb kann im Bereich von 01 A bis 0,8 A liegen, insbesondere kleiner 0,5 A.
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Andererseits soll eine maximale Betätigungsfrequenz des Ventils kleiner 40 Hz, insbesondere kleiner 30 Hz sein. Ein typischer Wert sind 20 Hz.
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Das vorzugsweise verwendete Klappenventil hat vorzugsweise nur 2 Ventilpositionen, nämlich eine Offenposition und eine Schließposition. Im Gegensatz zu sog. Proportionalventilen, kann die Ansteuerung nach der Art einer Pulsweitenmodulation folglich sehr einfach umgesetzt werden. Derartige Klappenventile sind zudem deutlich robuster als Proportionalventile, bei denen die Durchflussmenge durch genaue Einstellung einer Durchflussspalte geregelt wird.
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Bei einer klassischen PWM-Ansteuerung erfolgt eine unmittelbare Zuordnung dahingehend, dass eine erste Ventilposition (bspw. Schließposition) eingerichtet wird, wenn eine Spannung anliegt, und andererseits eine Offenposition eingerichtet wird, wenn keine Spannung anliegt.
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Klassische Magnet- bzw. Solenoidventile haben zudem eine gewisse Ansprechzeit, und zwar hinsichtlich eines Zeitversatzes zwischen angelegter Spannung und Erreichen einer bestimmten Ventilposition, der auch abhängig ist von der Bewegung und Beschleunigung eines Ankes. Daher kann eine Betätigungsfrequenz nicht beliebig erhöht werden, da die Ansprechzeit nicht größer als diese Frequenz werden darf.
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Bei der erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung erfolgt keine klassische PWM-Ansteuerung. Vielmehr wird über die Ansteuerung des Elektromotors ein PWW-Ausgangssignal erzeugt, das über die Drehzahl des Elektromotors eingestellt werden kann.
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Mit anderen Worten wird eine Einstellung eines Tastverhältnisses (Duty Cycle) in der Periode über die Veränderung der Drehzahl in der Periode erreicht. Dies ist auch der Grund dafür, dass der Elektromotor für viele Anwendungen eine hohe Dynamik aufweisen sollte.
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Wenn man bspw. während einer Öffnungsphase des Ventils die Drehzahl des Elektromotors herunterfährt und/oder diesen anhält, wird die Öffnungsphase verlängert. Wenn man bei einer Schließbewegung die Drehzahl des Motors erhöht, wird die Schließzeit verkürzt.
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Folglich kann man durch Veränderung der Drehzahl des Elektromotors nicht nur die Öffnungs- und Schließzeiten verändern. Auch ist es möglich, die Steilheit bzw. den Gradienten der Schließ- und Öffnungsflanken zu verändern.
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Vorzugsweise wird bei der Verwendung eines Klappenventils ein Dichtelement in Bezug auf einen Ventilsitz bewegt. Eine Kopplung eines solchen Ventils mit einem Elektromotor führt vorzugsweise dazu, dass die Position der Ventilklappe in einem Umkehrpunkt der durch den Elektromotor hervorgerufenen Klappenbewegung liegt. Folglich hat das Klappenelement dann in der Schließposition selbst die Geschwindigkeit Null. In einem Mittelbereich zwischen der Schließposition und einer entgegengesetzten Position hat die Ventilklappe ihre maximale Geschwindigkeit.
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Bei einem Magnetventil liegt die maximale Geschwindigkeit hingegen kurz vor dem Auftreffen am Ventilsitz.
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Folglich kann bei der Verwendung eines Klappenventils, das durch einen Elektromotor zwischen zwei Ventilpositionen angesteuert wird, einen deutlich geringeren Druckstoß haben als ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil.
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Mit anderen Worten ist der Druckstoß bzw. der Druckschlag durch ein abruptes Schließen der Leitung deutlich geringer. Dies kann durch eine Veränderung der Drehzahl auch noch zusätzlich optimiert werden, was bei einem Magnetventil nicht möglich ist.
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Eine Regelbarkeit der Betätigungsfrequenz von Null bis zur maximalen Betätigungsfrequenz bedeutet, dass Änderungen der Ventilposition maximal so schnell sind wie die zugewiesene maximale Betätigungsfrequenz. Die maximale Betätigungsfrequenz kann eine Frequenz sein, die einem Ventil aufgrund mechanischer oder sonstiger Eigenschaften innewohnt. Die maximale Betätigungsfrequenz kann jedoch auch ein beliebiger zugewiesener Wert sein.
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Bei einer Betätigungsfrequenz von Null verharrt das Ventil in der aktuellen Position, also bspw. entweder in der Schließposition oder in der Offenposition, bis die Betätigungsfrequenz wieder auf einen Wert größer Null geregelt wird. Bei sehr kleinen Frequenzen erfolgt der Übergang von einer Ventilposition in die andere sehr langsam. Bei einer Hochregelung auf die maximale Betätigungsfrequenz erfolgt dies schnellstmöglich, wodurch eben auch die Flankensteilheit regelbar ist, wie oben beschrieben.
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Die Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
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Von besonderem Vorzug ist es, wenn der Elektromotor über ein Untersetzungsgetriebe mit einem Ventilstellglied des Ventils gekoppelt ist und wenn die Drehzahl des Elektromotors und die Betätigungsfrequenz des Ventils getrennt erfasst werden, um die Betätigungsfrequenz des Ventils zu regeln.
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Wie eingangs beschrieben, wird vorzugsweise ein schnelllaufender Elektromotor verwendet, so dass ein Untersetzungsverhältnis bspw. im Bereich von ca. 600 Hz/20 Hz liegen kann, also bspw. in der Größenordnung von 30:1.
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Änderungen der Drehzahl des Elektromotors erfolgen aufgrund der Untersetzung folglich extrem langsamer an dem Ventilstellglied, so dass die Drehzahl des Motors dynamisch verändert werden kann und Öffnungszeit und Schließzeit innerhalb eines Zyklus verändert werden können, nach der Art der PWM-Steuerung.
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Die Untersetzung liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 10: 1 zu 300:1, vorzugsweise in einem Bereich von 20:1 bis 100:1, und insbesondere in einem Bereich von 25:1 bis 40:1.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Betätigungsanordnung ein Ventilstellglied, das mittels eines Linearaktuators in axialer Richtung zwischen einer ersten Stellposition und einer zweiten Stellposition bewegbar ist, und beinhaltet einen Ventilstellhebel, der zum einen mit dem Ventilstellglied und zum anderen mit dem Ventil gekoppelt und der zwischen einer ersten Ventilposition und einer zweiten Ventilposition bewegbar ist, um das Ventil zu schließen oder zu öffnen, wobei der Linearaktuator den Elektromotor und einen Rotations/Translations-Wandler aufweist, über den der Elektromotor mit dem Ventilstellglied derart gekoppelt ist, dass eine Drehantriebsbewegung des Elektromotors zu einer Linearbewegung des Ventilstellgliedes in der axialen Richtung führt.
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Der Rotations/Translations-Wandler ist vorzugsweise zwischen dem Untersetzungsgetriebe und dem Ventilstellglied angeordnet. Folglich muss der Rotations/Translations-Wandler nicht für hochdynamische Bewegungen ausgelegt sein.
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Der Ventilstellhebel kann nach der Art einer Klappe ausgebildet sein, die mit einem Dichtungselement starr verbunden ist, das gegen einen Ventilsitz andrückbar ist, um eine Schließposition des Ventils einzurichten. Der Ventilstellhebel ist vorzugsweise an einem Lager um eine Hebelachse verschwenkbar. Der Ventilstellhebel ist vorzugsweise als zweiseitiger Hebel ausgebildet, bei dem ein Ende mit dem Ventilstellglied gekoppelt ist und bei dem das andere Ende mit dem Dichtungselement versehen ist, um das Ventil zu öffnen oder zu schließen.
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Ferner ist es insgesamt vorteilhaft, wenn der Rotations/Translations-Wandler ein Untersetzungsgetriebe und eine Kurbelwelle aufweist, wobei der Elektromotor über das Untersetzungsgetriebe mit der Kurbelwelle verbunden ist und wobei die Kurbelwelle mit dem Ventilstellglied gekoppelt ist.
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Dabei ist es ferner vorteilhaft, wenn die Kurbelwelle mit dem Ventilstellglied so gekoppelt ist, dass das Ventilstellglied zwischen zwei axialen Endpositionen hin- und herbewegt wird, von denen eine einer Schließposition des Ventils entspricht.
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Wie oben erwähnt, kann hierdurch erreicht werden, dass die Geschwindigkeit des Ventilstellgliedes im Bereich der axialen Endpositionen relativ niedrig ist, wodurch ein Druckstoß vermieden werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Untersetzungsgetriebe ein mehrstufiges Stirnradgetriebe.
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In anderen Ausführungsformen kann es auch ein- oder mehrstufiges Schneckengetriebe, ein Planetengetriebe oder dergleichen sein.
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Ferner ist es insgesamt vorteilhaft, wenn der Ventilstellhebel mit dem Ventilstellglied über einen Schieber gekoppelt ist, der an dem Ventilstellglied in axialer Richtung zumindest begrenzt beweglich gelagert ist, wobei der Schieber in der ersten Stellposition des Ventilstel-Igliedes so vorgespannt ist, dass der Ventilstellhebel in die erste Ventilposition gedrückt ist, um das Ventil zu schließen.
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Die Betätigung des Ventilstellhebels kann folglich kraftgesteuert erfolgen. Demzufolge kann der von dem Ventilstellhebel eingerichtet Dichtsitz selbstnachstellend ausgebildet werden. Selbst wenn sich ein Dichtungselement des Ventilstellhebels im Laufe der Zeit plastisch verformt, wird durch das Andrücken auch nach langer Lebenszeit noch eine hinreichende Dichtwirkung erzielt.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Ventilstellglied gegenüber einem Gehäuse in die erste Stellposition vorgespannt ist, um das Ventil zu schließen. Mit anderen Worten kann durch die Vorspannung des Ventilstellgliedes gegenüber dem Gehäuse eine Schließbewegung der Betätigungsanordnung unterstützt werden. Hierdurch kann folglich eine Krafterhöhung beim Schließen der Ventile etwas kompensiert werden. Eine Funktion, das Ventil bei einem Spannungsausfall mittels eines elektrischen Energiespeichers zu schließen, kann hierdurch unterstützt werden.
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Generell kann man mit dieser Ausgestaltung das Ventilstellglied auch generell in die Schließposition vorspannen, so dass auch ohne Energiespeicher ein selbsttätiges Schließen bei einem Stromausfall realisiert wird. In diesem Fall müsste jedoch eine Öffnungsbewegung immer gegen eine relativ starke Vorspannung erfolgen, was zu einem größeren Stromverbrauch führen würde.
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Demzufolge wird das Ventilstellglied gegenüber dem Gehäuse mit einer Kraft vorgespannt, die kleiner ist als jene Kraft, mit der das Ventil bei einem Stromausfall ohne zusätzliche Energiezufuhr geschlossen werden kann.
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Wie oben beschrieben, ist der Elektromotor vorzugsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor, der von einer Leistungselektronik angesteuert ist.
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Die Drehzahl des Gleichstrommotors wird mittels der Leistungselektronik vorzugsweise geregelt.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Leistungselektronik wenigstens einen elektrischen Energiespeicher aufweist, der bei Ausfall einer Leistungsversorgung hinreichend Energie bereitstellen kann, um das Ventil sicher zu schließen.
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Der Energiespeicher kann ein wiederaufladbarer Akkumulator oder eine Primärzelle sein. Vorzugsweise ist der Energiespeicher ein Superkondensator (sog. „SuperCap“).
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Ferner ist es insgesamt vorteilhaft, wenn eine Drehzahl des Elektromotors mittels eines ersten Drehzahlsensors erfasst wird und/oder wenn eine Drehzahl einer Kurbelwelle des Rotations/Translations-Wandlers mittels eines zweiten Drehzahlsensors erfasst wird.
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Über die Erfassung der Drehzahl des Elektromotors ist es möglich, diese Drehzahl zu regeln.
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Über die Erfassung der Drehzahl der Kurbelwelle ist es möglich, die Drehzahl der Kurbelwelle zu regeln.
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Vorzugsweise können diese zwei Regelkreise ineinander verschachtelt sein, so dass auf vergleichsweise einfache Weise eine Betätigung des Ventils nach der Art einer PWM-Steuerung möglich ist.
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Die oben genannte Pflanzenbehandlungsmittel-Ausbringungsvorrichtung weist vorzugsweise eine Mehrzahl von Ventilanordnungen auf, die an einer Ventilleiste einer Feldspritze angeordnet und jeweils mit einer Düse zum Ausbringen von Pflanzenbehandlungsmittel verbunden sind.
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Bei dem Verfahren zum Ausbringen von Pflanzenbehandlungsmittel kann die Ausbringungsmenge in Abhängigkeit von einer Fahrgeschwindigkeit geregelt werden. Ferner kann die Ausbringungsmenge in Abhängigkeit von anderen Parametern wie bspw. Wuchshöhe, Wuchsdichte und/oder Wuchsbreite der Pflanzen geregelt werden.
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Das Pflanzenbehandlungsmittel kann bspw. ein Pestizid sein, kann jedoch auch ein Flüssigdünger sein.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, derartige Pflanzenbehandlungsmittel homogen in gleicher Konzentration über einer großen Fläche auszubringen, wobei auch eine Beschleunigung und ein Abbremsverhalten bei Kurvenfahrten kompensiert werden kann.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines landwirtschaftlichen Fahrzeugs mit einer Feldspritze beim Befahren einer Pflanzfläche;
- 2 eine schematische Darstellung eines Details II von 1;
- 3 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Ventilanordnung mit einer elektromotorischen Betätigungseinrichtung und einem Klappenventil;
- 4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Ventilanordnung;
- 5 eine Querschnittsansicht der Ventilanordnung der 4;
- 6 eine Innenansicht der Ventilanordnung der 4;
- 7 ein Zeitablaufdiagramm einer Ventilposition und einer Kraft einer Ventilanordnung.
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In 1 ist schematisch eine Pflanzfläche mit einer Mehrzahl von Pflanzen 12 dargestellt, die bspw. in einer bestimmten Reihenweite 13 gepflanzt sind, wobei Fahrspuren 14 dazwischen ausgebildet sein können.
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Eine Pflanzenbehandlungsvorrichtung 16 beinhaltet bspw. einen Traktor 18 oder ein anderes Agrarfahrzeug, an dem eine Pflanzenbehandlungsmittel-Ausbringungsvorrichtung 20 angebracht ist. Die Pflanzenbehandlungsmittel-Ausbringungsvorrichtung 20 beinhaltet eine Feldspritze 22. Die Feldspritze 22 weist eine sich quer zur Fahrtrichtung erstreckende Ventilleiste 24 auf, an der eine Vielzahl von bspw. 20 bis 200 Düsen 26 angebracht sind. Die Düsen 26 können an der Ventilleiste 24 verschieblich angebracht sein, können jedoch auch starr daran angebracht sein.
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Über die Düsen 26 kann ein Pflanzenbehandlungsmittel 28 auf die Pflanzen 12 der Pflanzfläche 10 aufgebracht werden.
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2 zeigt eine Detailansicht II der 1.
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Es ist zu erkennen, dass einer Düse 26 der Ventilleiste 24 eine Ventilanordnung 30 zugeordnet ist.
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Die Ventilanordnung 30 beinhaltet ein Ventil 32, das vorliegend als 4/2-Wegeventil ausgebildet ist. Insbesondere kann das Ventil 32 als Klappenventil ausgebildet sein, wie es nachstehend noch beschrieben ist.
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Das Ventil 32 wird mittels eines Elektromotors 34 betätigt, der über einen Rotations/Translations-Wandler 36 auf das Ventil 32 Einfluss nimmt, um dieses zwischen den zwei Stellungen hin- und herzubewegen.
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Der Elektromotor 34 und der Rotations/Translations-Wandler 36 können Teil einer Betätigungsanordnung 38 sein.
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In 3 ist ein Beispiel einer Ventilanordnung 30 mit einer solchen Betätigungsanordnung 38 dargestellt.
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Das Ventil 32 beinhaltet einen Ventilstellhebel 40, der nach der Art einer Klappe zwischen einer ersten Ventilposition 42 (Schließposition) und einer zweiten Ventilposition 44 (Offenposition) bewegbar ist. Das Ventil 32 beinhaltet ferner einen Zuflussanschluss 48, über den Pflanzenbehandlungsmittel 28 zuführbar ist. In der ersten Ventilposition 42 wird die Weiterleitung des Pflanzenbehandlungsmittels 28 unterbrochen. In der zweiten Ventilposition 44 kann das Pflanzenbehandlungsmittel 28 hin zu einem nicht näher bezeichneten Ausgangsanschluss und eine daran angeschlossene Düse 26 strömen.
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An dem Ventilstellhebel 40 ist ein Dichtungselement 50 festgelegt. In der ersten Ventilposition 42 liegt das Dichtungselement 50 an einem nicht näher bezeichneten Ventilsitz an und schließt das Ventil folglich. Vorliegend ist der Ventilsitz, an dem das Dichtungselement 50 anliegt, auf der Stromabseite angeordnet. Alternativ kann dieser Ventilsitz auch an der Stromaufseite ausgebildet sein.
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Der Ventilstellhebel 40 ist um ein Lager 52, das eine Schwenkachse bildet, verschwenkbar. Der Ventilstellhebel 40 ist vorzugsweise als zweiseitiger Hebel ausgebildet, wobei das eine Hebelende mit dem Dichtungselement 50 verbunden ist. Das andere Hebelende ist vorzugsweise außerhalb eines Gehäuses 54 des Ventils 32 angeordnet und bildet einen Betätigungsabschnitt 56 außerhalb des Ventils.
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In 3 ist die erste Ventilposition 42 durch eine durchgezogene Linie des Ventilstellhebels 40 dargestellt. Die zweite Ventilposition 44 ist mit gestrichelten Linien dargestellt.
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Die Betätigungsanordnung 38 beinhaltet ferner ein Ventilstellglied 60, das entlang einer Längsachse 62 zumindest zwischen einer ersten Stellposition 64 und einer zweiten Stellposition 66 axial verschieblich ausgebildet ist. Die Längsachse ist quer, insbesondere windschief zu der Schwenkachse des Ventilstellhebels 40 ausgerichtet.
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An dem Ventilstellglied 60 ist ein Schieber 70 axial begrenzt verschieblich gelagert. Der Schieber 70 ist mit dem Betätigungsabschnitt 56 des Ventilstellhebels 40 gekoppelt.
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An dem Ventilstellglied 60 sind eine erste Axialsicherung 72 und eine zweite Axialsicherung 74 ausgebildet.
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Die erste Axialsicherung 72 bildet einen Mitnehmer zum Bewegen des Schiebers 70 so, dass der Ventilstellhebel 40 in die zweite Ventilposition 44 geschoben wird.
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Eine erste Druckfeder 76 ist zwischen der zweiten Axialsicherung 74 und dem Schieber 70 angeordnet.
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In 3 ist die Betätigungsanordnung 38 auf der linken Seite der Längsachse 62 in der ersten Stellposition 64 gezeigt, die der ersten Ventilposition 42 entspricht. Hierbei wird das Dichtungselement 50 mittels der zweiten Axialsicherung und der Druckfeder 76, die auf den Schieber 70 einwirkt, gegen den Ventilsitz gedrückt.
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Auf der rechten Seite der Längsachse 62 ist die zweite Stellposition 66 gezeigt, die der zweiten Ventilposition 44 entspricht. In der zweiten Stellposition 66 hat die erste Axialsicherung 72 den Schieber 70 in axialer Richtung mitgenommen, um den Ventilstellhebel 40 aus der Schließposition in die zweite Ventilposition 44 zu verschwenken.
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Der Hub des Ventilstellgliedes 60 ist bei 78 gezeigt. Der Hub des Schiebers 70 an dem Ventilstellglied 60 ist bei 80 gezeigt. Der Hub 80 ist kleiner als der Hub 78.
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In den 4 bis 6 ist eine weitere Ausführungsform einer Ventilanordnung 30 gezeigt, die hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise generell der Ventilanordnung 30 der 3 entspricht. Gleiche Elemente sind daher durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Folgenden werden im Wesentlichen die Unterschiede erläutert.
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In 5 ist eine zweite Druckfeder 90 gezeigt, mittels der das Ventilstellglied 60 gegenüber einem Gehäuse (das kann das Gehäuse 54 des Ventils 32 sein, oder ein Gehäuse 93 der Betätigungsanordnung 38) in die Schließposition vorgespannt. Die zweite Druckfeder 90 kann folglich erreichen, dass eine Schließbewegung der Betätigungsanordnung 38 unterstützt wird, so dass auch ein Schließen des Ventils im Falle eines Energieversorgungsausfalls unterstützt wird.
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Die Ventilanordnung der 4 bis 6 beinhaltet ferner ein Untersetzungsgetriebe 92, das in einem Gehäuse 93 aufgenommen ist.
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Das Untersetzungsgetriebe 92 weist ein Motorritzel 94 auf, das mit einer Motorwelle eines Elektromotors 34 verbunden bzw. verbindbar ist. Das Motorritzel 94 steht in Eingriff mit einem ersten Zahnrad 96, das an einer ersten Getriebewelle 98 festgelegt ist. An der ersten Getriebewelle 98 ist ein weiteres nicht näher bezeichnetes Zahnrad festgelegt, das mit einem an einer zweiten Getriebewelle 100 festgelegten Zahnrad in Eingriff steht. An der zweiten Getriebewelle 100 ist ein weiteres Zahnrad festgelegt, das mit einem Zahnrad in Eingriff steht, das an einer dritten Getriebewelle 102 festgelegt ist. Die dritte Getriebewelle 102 ist als Kurbelwelle ausgebildet.
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Mit dem Untersetzungsgetriebe 92 lässt sich beispielsweise eine Untersetzung in einem Bereich von bspw. 25:1 bis 40:1 einrichten.
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Die Kurbelwelle 102 erstreckt sich aus dem Gehäuse 93 heraus hin zu dem Ventilstellglied 60. An dem sich aus dem Gehäuse 93 herausstreckenden Abschnitt der Kurbelwelle 102 ist die Kurbelwelle 102 mit einer schematisch angedeuteten Kurbelanordnung 104 gekoppelt, die über eine Koppelwelle 106 mit dem Ventilstellglied 60 gekoppelt ist. Eine Rotation der Kurbelwelle 102 in einer Richtung führt folglich zu auf und ab verlaufenden Hubbewegungen des Ventilstellgliedes 60.
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In 5 ist ferner gezeigt, dass das Motorritzel 94 über ein weiteres nicht näher bezeichnetes Zahnrad mit einer Nebenwelle 108 gekoppelt ist, an der ein erster Drehzahlsensor 110 angeordnet ist. Mittels des ersten Drehzahlsensors 110 kann die Drehzahl des Elektromotors 34 erfasst werden.
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An der Kurbelwelle 102 ist ein zweiter Drehzahlsensor 112 angeordnet ist, mittels dessen die Drehzahl der Kurbelwelle 102 erfassbar ist.
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Die Drehzahlsensoren 110 und 112 sind auch in 6 zu sehen. Diese können jeweils durch optische Sensoren oder durch Hall-Sensoren realisiert sein.
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Es ist auch möglich, die Drehzahl an der Kurbelwelle 102 mittels des ersten Drehzahlsensors 110 und hinreichender Rechenleistung zu ermitteln, so dass der Sensor 112 entfallen kann.
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Ferner ist in 6 und in 5 zu erkennen, dass in dem Gehäuse eine Leistungselektronik 114 aufgenommen ist, mittels der der Elektromotor 34 ansteuerbar ist.
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Die Leistungselektronik 114 weist eine Leiterplatte auf, die nicht näher bezeichnet ist. An der Leiterplatte sind die Drehzahlsensoren 110, 112 festgelegt. Ferner sind an der Leiterplatte ein elektrischer Energiespeicher oder eine Mehrzahl von solchen Energiespeichern 116 festgelegt, die bspw. als Superkondensatoren ausgebildet sein können. Die in diesen Energiespeichern 116 gespeicherte Energie kann dazu verwendet werden, um im Falle eines elektrischen Energie- bzw. Netzausfalls das Ventil 32 sicher in die Schließposition zu versetzen.
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In 7 ist ein Zeitablaufdiagramm gezeigt, das einen Verlauf einer Ventilposition VP und einen Verlauf einer Kraft F zeigt. Die Ventilposition VP entspricht einer Position des Ventilstellgliedes 60 (die wiederum einer Position des Ventilstellhebels 40 entspricht) und verläuft zwischen einer ersten Stellposition 64 und einer zweiten Stellposition 66 (entsprechend der ersten Ventilposition 42 und der zweiten Ventilposition 44). Es ist zu erkennen, dass bei angenommener konstanter Drehzahl des Elektromotors 34 die Ventilposition VP einer Sinusschwingung folgt. Die Steigung des Signalverlaufs von VP entspricht der Geschwindigkeit des Ventilstellgliedes 60. Man erkennt, dass in den Stellpositionen 64, 66 jeweils eine sehr niedrige Geschwindigkeit, genauer eine Geschwindigkeit von genau Null erreicht wird. Dies führt zu einem langsamen und schonenden Schließen des Ventils aus der Offenposition in die Schließposition, wodurch Druckstöße verringert werden können.
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Man erkennt andererseits, dass die Kraft, die von dem Ventilstellglied 60 ausgeübte Kraft F ebenfalls einem Sinusverlauf folgt, der jedoch um 180° gegenüber dem Sinusverlauf der Ventilposition VP versetzt ist. Mit anderen Worten ist die Kraft F dann, wenn das Ventil geschlossen ist (VP = 64), maximal.
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In 7 ist ein alternativer Verlauf der Ventilposition bei VP* gezeigt. Dadurch, dass es sich bei dem Elektromotor 34 vorzugsweise um einen hochdynamischen schnelldrehenden Elektromotor handelt und dadurch, dass das Untersetzungsgetriebe vorhanden ist und sowohl die Drehzahl des Motors als auch die Drehzahl der Kurbelwelle gemessen werden, kann durch eine Regelung der Drehzahl des Elektromotors 34 die Betätigungsfrequenz des Ventils zwischen Null und einer maximalen Betätigungsfrequenz stufenlos geregelt werden. Dies entspricht einer Einstellung der Drehzahl der Kurbelwelle zwischen Null und einer maximalen Drehzahl. In 7 ist bspw. ein Verlauf der Ventilposition VP* gezeigt, bei dem zunächst über einen längeren Zeitraum die erste Stellposition 64 eingerichtet ist, die Ventilposition VP* dann in Richtung der zweiten Stellposition 66 angesteuert wird und dann über mehrere Perioden der Frequenz der Ventilposition VP (bei der es sich bspw. um den Verlauf VP bei der maximalen Betätigungsfrequenz handelt) auf der zweiten Stellposition 66 bleibt, um anschließend wieder in Richtung der ersten Stellposition 64 abzufallen.
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Mit anderen Worten kann die Ventilposition VP* beliebig nach der Art einer PWM-Steuerung geregelt werden. Die so eingerichtete PWM-Steuerung kann aufgrund der Realisierung mittels eines Elektromotors 34 deutlich besser hinsichtlich des Wirkungsgrades realisiert werden als bei der Verwendung eines Magnetventils zur Einrichtung der PWM-Steuerung.
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Bezugszeichenliste:
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- 10
- Pflanzfläche
- 12
- Pflanzen
- 14
- Fahrspuren
- 16
- Pflanzenbehandlungsvorrichtung
- 18
- Traktor
- 20
- Pflanzenbehandlungsmittel-Ausbringungsvorrichtung
- 22
- Feldspritze
- 24
- Ventilleiste
- 26
- Düsen
- 28
- Pflanzenbehandlungsmittel
- 30
- Ventilanordnung
- 32
- Ventil, 4/2-Wegeventil (Klappenventil)
- 34
- Elektromotor
- 36
- Rotations/Translations-Wandler
- 38
- Betätigungsanordnung
- 40
- Ventilstellhebel (Klappe)
- 42
- erste Ventilposition (geschlossen)
- 44
- zweite Ventilposition (offen)
- 46
- erster Ventilsitz (Abfluss)
- 48
- Zuflussanschluss
- 50
- Dichtungselement
- 52
- Lager
- 54
- Gehäuse
- 56
- Betätigungsabschnitt (außerhalb Ventil 32)
- 60
- Ventilstellglied
- 62
- Längsachse
- 64
- erste Stellposition
- 66
- zweite Stellposition
- 70
- Schieber
- 72
- erste Axialsicherung
- 74
- zweite Axialsicherung
- 76
- erste Druckfeder
- 78
- Hub 60
- 80
- Hub 70
- 90
- zweite Druckfeder
- 92
- Untersetzungsgetriebe
- 93
- Gehäuse
- 94
- Motorritzel
- 96
- erstes Zahnrad
- 98
- erste Getriebewelle
- 100
- zweite Getriebewelle
- 102
- dritte Getriebewelle (Kurbelwelle)
- 104
- Kurbelanordnung
- 106
- Koppelwelle
- 108
- Nebenwelle
- 110
- erster Drehzahlsensor
- 112
- zweiter Drehzahlsensor
- 114
- Leistungselektronik
- 116
- Energiespeicher (SuperCaps)
- 120
- Zeitablaufdiagramm
- F
- Kraft
- VP
- Ventilposition
- VP*
- alternativer Verlauf der Ventilposion
- t
- Zeit
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2022/0410195 A1 [0005, 0006]
- EP 1 811 216 B1 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Wegener, Jens Karl: Gezielter und flexibler - Trends in der Pflanzenschutztechnik. In: Frerichs Ludger (Hrsg.): Jahrbuch Agrartechnik 2019. Braunschweig: Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, 2020. S. 1-7 [0004]