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Die
Erfindung betrifft einen hydrostatischen Antrieb mit einem Hydromotor
und einer Hydropumpe.
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Aus
dem Stand der Technik sind bereits Mehrpumpensysteme bekannt. Allerdings
werden diese nicht in hydrostatischen Antrieben mit Rückgewinnung
von Bremsenergie verwendet. Hydrostatische Antriebe mit Rückgewinnung
von Bremsenergie sind aus der
DE 10 2006 060 014 A1 und aus der
DE 10 2005 061 991
A1 bekannt. In beiden Druckschriften wird jeweils ein geschlossener
Kreislauf mit Hydropumpe und Hydromotor verwendet.
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Die
Druckschrift
DE
10 2005 061 991 A1 zeigt einen hydrostatischen Antrieb
mit einer Hydropumpe, welche über eine erste Arbeitsleitung
und über eine zweite Arbeitsleitung mit einem Hydromotor
verbindbar ist. Der hydrostatische Antrieb umfasst darüber
hinaus einen Hochdruck- und einen Niederdruckspeicher. Zur Rückgewinnung
von in dem Hochdruckspeicher gespeicherter Druckenergie ist der
Hochdruckspeicher in Abhängigkeit von der Förderrichtung
der Hydropumpe mit einer bezüglich der Hydropumpe saugseitigen
ersten bzw. zweiten Arbeitsleitung verbindbar. Durch die Erhöhung
des saugseitigen Drucks der Hydropumpe reduziert sich das erforderliche
Drehmoment zum Antreiben der Hydropumpe. Die Rückführung
der in Form von Druckenergie gespeicherten kinetischen Energie eines Bremsvorgangs
erfolgt damit nicht direkt am Hydromotor, sondern indirekt über
die Hydropumpe. Der Hydromotor selbst wird dagegen, wie es im normalen Fahrbetrieb üblich
ist, lediglich durch den von der Hydropumpe erzeugten Arbeitsleitungsdruck
beaufschlagt. Zum Aufladen des Hochdruckspeichers während
eines Bremsvorgangs wird der Hochdruckspeicher mit der ersten bzw.
zweiten stromabwärtigen Arbeitsleitung des Hydromotors
verbunden.
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So
wird der Hochdruckspeicher ohne Strömungsrichtungsumkehr
befüllt. Um das beim Entleeren des Hochdruckspeichers in
den Kreislauf eingespeiste Druckmittel wieder aufzunehmen ist der
Niederdruckspeicher mit einem stromabwärtigen Arbeitsleitungsanschluss
des Hydromotors verbindbar. Das Druckmittel fließt somit
vom Hochdruckspeicher über die Hydropumpe und den Hydromotor
in den Niederdruckspeicher. Es entsteht dadurch eine hydraulische
Wiege.
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DE 10 2006 060 014
A1 zeigt ebenfalls einen hydrostatischen Antrieb. Dieser
hydrostatische Antrieb umfasst einen geschlossenen Kreislauf mit
einer ersten Arbeitsleitung, einer zweiten Arbeitsleitung, einer
Hydropumpe, einem Hydromotor sowie einen Hochdruck- und einen Niederdruckspeicher. Der
Antrieb kann die in dem Hochdruckspeicher gespeicherte Energie wiederverwenden.
Dazu ist der Hochdruckspeicher mit der stromaufwärts des
Hydromotors angeordneten Arbeitsleitung verbindbar. Der Niederdruckspeicher
dient dem Aufrechterhalten eines Mindestansaugdrucks während
des Speicherns von Energie. Der Hochdruckspeicher und der Niederdruckspeicher
sind jeweils mit der ersten und der zweiten Arbeitsleitung verbindbar.
Die jeweiligen Verbindungen werden über Sitzventile gesteuert.
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Die
aufgeführten hydrostatischen Antriebe haben den Nachteil,
dass zur Rückgewinnung der Energie aus dem Hochdruckspeicher
lediglich Druckmittel auf der Saugseite der Hydropumpe in den geschlossenen
Kreislauf eingespeist wird oder direkt der Hydromotor mit Druckmittel
beaufschlagt wird. Dadurch wird das Drehmoment der Hydropumpe jedoch
nicht über das der sie antreibenden Antriebsmaschine erhöht
und die Antriebsmaschine muss groß dimensioniert sein.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung einen hydrostatischen Antrieb
zu schaffen, welches gespeicherte Druckenergie verwendet, um das
Drehmoment der Hydropumpe über das der sie antreibenden Antriebsmaschine
zu erhöhen.
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Die
Aufgabe wird durch den hydrostatischen Antrieb mit den Merkmalen
nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 16 gelöst.
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Der
erfindungsgemäße hydrostatische Antrieb umfasst
eine erste Arbeitsleitung, welche einen Hydromotor und eine Hydropumpe
hydraulisch verbindet. Die Hydropumpe ist mit einer Antriebswelle mechanisch
verbunden. Über die erste Arbeitsleitung kann die Hydropumpe
Druckmittel zum Hydromotor fördern und diesen somit mit
Druck beaufschlagen. Erfindungsgemäß umfasst der
hydrostatische Antrieb eine weitere hydrostatische Kolbenmaschine, welche
ebenfalls mit der Antriebswelle mechanisch verbunden ist. Die Antriebswelle
kann von der weiteren hydrostatischen Kolbenmaschine angetrieben werden.
Es kann umgekehrt auch die weitere hydrostatische Kolbenmaschine
von der Antriebswelle angetrieben werden. Die weitere hydrostatische
Kolbenmaschine ist mit einem Hochdruckspeicher verbindbar. Der Hochdruckspeicher
speichert Druckenergie, welche beim Entleeren des Hochdruckspeichers
von der weiteren hydrostatischen Kolbenmaschine verwendet wird,
um die Antriebswelle anzutreiben. Durch das Antreiben der Antriebswelle
durch die weitere hydrostatische Kolbenmaschine wird auf die Antriebswelle
ein zweites Drehmoment übertragen. Dieses Drehmoment addiert
sich zu dem auf die Antriebswelle z. B. von einer als Dieselkraftmaschine ausgeführten
Antriebmaschine übertragenen ersten Drehmoment. Es kommt
zu einer Drehmoment-Addition und es entsteht ein Gesamt-Drehmoment.
Dadurch kann auf die Hydropumpe ein Gesamt-Drehmoment übertragen
werden, welches größer als das Drehmoment der
Antriebmaschine ist.
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In
den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebs
dargestellt.
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Vorzugsweise
ist die weitere hydrostatische Maschine mit der ersten Arbeitsleitung
verbindbar. Dadurch kann je nach Förderrichtung der weiteren hydrostatischen
Kolbenmaschine durch die weitere hydrostatische Maschine Druckmittel
in die erste Arbeitsleitung gefördert werden. Alternativ
kann durch die weitere hydrostatische Kolbenmaschine Druckmittel
aus der ersten Arbeitsleitung aufgenommen werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform wird in der ersten
Verbindungsleitung zur Verbindung der weiteren hydrostatischen Maschine
mit dem Hochdruckspeicher eine erste Ventileinheit verwendet. Somit
kann die Verbindung zwischen der weiteren hydrostatischen Kolbenmaschine
und dem Hochdruckspeicher gesteuert werden. Durch Verwendung einer zweiten
Ventileinheit in der zweiten Verbindungsleitung zur Verbindung der
weiteren hydrostatischen Kolbenmaschine mit der ersten Arbeitsleitung
kann auch diese Verbindung gesteuert werden.
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Vorteilhafterweise
ist der Hochdruckspeicher über eine dritte Verbindungsleitung
mit der ersten Arbeitsleitung verbindbar. So kann der Hochdruckspeicher
von der ersten Arbeitsleitung Druckmittel aufnehmen oder in die
erste Arbeitsleitung abgeben.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weist die dritte Verbindungsleitung
eine dritte Ventileinheit auf. Somit ist der Druckmittelaustausch
zwischen Hochdruckspeicher und erste Arbeitsleitung ansteuerbar.
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Die
weitere hydrostatische Kolbenmaschine wird vorzugsweise als eine
Pumpe-/Motoreinheit gewählt. Dies hat den Vorteil, dass
mechanische und hydraulische Energie in beide Richtungen umgewandelt
werden können. Im Pumpenbetrieb wird mechanische in hydraulische
Energie und im Motorbetrieb hydraulische in mechanische umgewandelt.
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Besonders
vorteilhaft ist die weitere hydrostatische Kolbenmaschine verstellbar
ausgeführt. Mit einer verstellbaren weiteren hydrostatischen
Kolbenmaschine kann der Energieaustausch zwischen hydraulischer
und mechanischer Energie flexibel angesteuert werden. Die Antriebswelle
kann dann variabel Energie an die weitere hydrostatische Kolbenmaschine
abgeben oder von dieser aufnehmen. Zur Erhöhung des Volumenstroms,
der dem Hydromotor zugeführt wird, kann so nach dem Erzeugen
des zweiten Drehmoments ein zweiter Volumenstrom zusätzlich
zu dem ersten Volumenstrom der Hydropumpe erzeugt werden. Ein verstellbarer
Hydromotor hat ebenfalls den Vorteil, dass auch hier der Energieaustausch
zwischen hydraulischer und mechanischer Energie flexibel angesteuert
werden kann. Die Abtriebswelle nimmt dann variabel Energie vom Hydromotor
auf oder gibt sie variabel an diesen ab.
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Der
hydrostatische Antrieb kann vorteilhafterweise als geschlossener
Kreislauf mit einer zweiten Arbeitsleitung ausgebildet sein. Damit
ist Druckmittel sowohl in die zweite Arbeitsleitung einführbar als
auch aus dieser entnehmbar.
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Vorzugsweise
ist die weitere hydrostatische Kolbenmaschine über eine
vierte Verbindungsleitung mit der zweiten Arbeitsleitung verbindbar.
Damit kann die weitere hydrostatische Kolbenmaschine Druckmittel
auch aus der zweiten Arbeitsleitung entnehmen oder ihr wieder zuführen.
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Der
Druckmittelaustausch zwischen zweiter Arbeitsleitung und der weiten
hydrostatischen Kolbenmaschine über die vierte Verbindungsleitung
wird in einer bevorzugten Ausführungsform durch eine in dieser
ausgebildeten vierten Ventileinheit steuerbar.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform ist die zweite Anschlussstelle über
eine fünfte Verbindungsleitung mit einem Niederdruckspeicher
verbindbar. Die weitere hydrostatische Kolbenmaschine kann damit
mit dem Niederdruckspeicher Energie und Druckmittel austauschen.
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Mittels
einer fünften Ventileinheit in der fünften Verbindungsleitung
ist der Energie- und Druckmittelaustausch zwischen der weiteren
hydrostatischen Kolbenmaschine und dem Niederdruckspeicher in einer
vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
hydrostatischen Antriebs ansteuerbar.
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Der
mit der zweiten Arbeitsleitung über eine sechste Verbindungsleitung
mit der zweiten Arbeitsleitung in einer bevorzugten Ausführungsform
verbindbare Niederdruckspeicher tauscht über die sechste
Verbindungsleitung mit der zweiten Arbeitsleitung Druckmittel und
Energie aus.
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Dieser
Energie- bzw. Druckmittelaustausch ist in einer vorteilhaften Ausführungsform über
eine sechste Ventileinheit in der sechsten Verbindungsleitung ansteuerbar.
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In
einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen
hydrostatischen Antriebs ist zumindest eine der Ventileinheiten
als Schaltventil ausgebildet. Dadurch kann die Ansteuerung an der
jeweiligen Stelle bzw. an den jeweiligen Stellen vorteilhafterweise
binär ausgeführt werden. Durch eine geeignete
Schaltposition bzw. durch geeignete Schaltpositionen des Schaltventils
bzw. der Schaltventile werden verschiedene Schaltzustände
realisiert, die jeweils einem Betriebsmodus des hydrostatischen Antriebs
entsprechen.
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Durch
einen Schaltzustand wird z. B. realisiert, dass der geschlossene
Kreislauf mit Hydropumpe, Hydromotor, erster und zweiter Arbeitsleitung
hydraulisch von einem hydraulischen Sekundärsystem entkoppelt
ist, wobei dieses hydraulische Sekundärsystem die weitere
hydrostatische Kolbenmaschine umfasst, welche hydraulisch mit Hochdruck- und
Niederdruckspeicher verbindbar ist. Dadurch kann z. B. je nach Förderrichtung
der weiteren hydrostatischen Kolbenmaschine Druckmittel vom Niederdruckspeicher
in den Hochdruckspeicher oder umgekehrt vom Hochdruckspeicher in
den Niederdruckspeicher gefördert werden. Um Druckmittel
aus dem Niederdruckspeicher in den Hochdruckspeicher zu fördern
nimmt die weitere hydrostatische Kolbenmaschine in einem entsprechenden
Betriebsmodus Energie von der gemeinsamen Antriebswelle auf. Nimmt
die weitere hydrostatische Kolbenmaschine Energie von der Antriebswelle
auf, so stammt diese Energie aus einer die Antriebswelle antreibenden
Antriebsmaschine. Durch die zusätzliche aufgenommene Antriebsleistung
kann dann die Antriebsmaschine in einem günstigeren Lastbereich
betrieben werden. Nimmt die weitere hydrostatische Kolbenmaschine jedoch
in umgekehrter Richtung Druckmittel aus dem Hochdruckspeicher auf
und entspannt es in den Niederdruckspeicher, so gibt die weitere
hydrostatische Kolbenmaschine Energie an die Antriebswelle ab. Gibt
die weitere hydrostatische Kolbenmaschine Energie an die Antriebswelle
ab, so erfährt die Hydropumpe ein Drehmoment, welches der
Summe aus Antriebsmaschinen-Drehmoment und Kolbenmaschinen-Drehmoment
entspricht. Die Drehmoment-Summe ist in diesem Fall größer
als das Antriebsmaschinen-Drehmoment bzw. das erforderliche Moment
der Antriebsmaschine wird reduziert. Damit können in beiden
Fällen ungünstige Teillast-Betriebszustände
vermieden werden.
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Weiterhin
ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft,
dass nach einem Beschleunigungsvorgang, bei dem durch die weitere
hydrostatische Maschine ein die Hydropumpe antreibendes Drehmoment
erzeugt wurde, zum Erhöhen des dem Hydromotor zugeführten
Volumenstroms die weitere hydrostatische Kolbenmaschine durch die
Antriebsmaschine angetrieben und als Pumpe zur Erzeugung eines zweiten
Volumenstroms betrieben wird. Damit lässt sich nicht nur
zunächst durch Verringern oder Vergrößern
des von der Antriebsmaschine geforderten Antriebsmoments die Antriebsmaschine
während beispielsweise eines Anfahrvorgangs in einem günstigen
Lastbereich betreiben, sondern es wird darüber hinaus auch
ein insgesamt größerer Volumenstrom ermöglicht.
Der damit erreichbare Geschwindigkeitsbereich eines solchermaßen
ausgestalteten Fahrantriebs ist gegenüber üblichen
Antrieben vergrößert.
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Die
weitere hydrostatische Maschine wird zur Erzeugung des zweiten Antriebsmoments
mit einem Hochdruckspeicher verbunden. Eine solche Verbindung mit
einem Hochdruckspeicher ermöglicht es, zum Betreiben der
weiteren hydrostatischen Kolbenmaschine im Motorbetrieb unabhängig
von einer sonstigen Druckmittelquelle zuvor beispielsweise während
eines Bremsvorgangs gespeichertes Druckmittel einzusetzen. Zum Beschleunigen
ist es insbesondere vorteilhaft, zunächst die Hydropumpe
ausgehend von einem Nullfördervolumen in Richtung maximalen
Fördervolumens zu verschwenken. Bei Erreichen des maximalen
Fördervolumens, bei dem eine weitere Erhöhung
des Förderstroms durch die Hydropumpe nicht möglich
ist, wird dann die weitere hydrostatische Kolbenmaschine in Pumprichtung
betrieben und ausgehend von einem Nullfördervolumen in
Richtung zunehmenden Fördervolumens verstellt. Damit lässt
sich stufenweise zunächst durch Erhöhen des Fördervolumens
durch die Hydropumpe und anschließend durch Erhöhen
des Fördervolumens der hydrostatischen Maschine ein Gesamtfördervolumen
erreichen, welches kontinuierlich über einen weiten Bereich
variiert werden kann. Während der gesamten Zeit kann dabei
vorteilhaft der Hydromotor auf maximalem Schluckvolumen eingestellt
bleiben, sodass ein hohes Antriebsmoment für das Fahrzeug während
des gesamten Beschleunigungsvorgangs zur Verfügung steht.
Zur Verzögerung des Fahrzeugs wird dagegen die Hydropumpe
auf verschwindendes Fördervolumen verstellt. Zudem wird
auch die weitere hydrostatische Maschine auf minimales bzw. verschwindendes
Fördervolumen verstellt und gleichzeitig der Hydromotor
auf ein Schluckvolumen eingestellt, das bei den aktuellen, d. h.
bei den dann vorherrschenden Drücken, dem gewünschten
Bremsmoment entspricht eingestellt. Für eine maximale (volle)Bremsung
wird ein maximales Schluckvolumen eingestellt. Für eine
nichtmaximale (angepasste) Bremsung wird jedoch ein nichtmaximales Schluckvolumen
eingestellt. Das Bremsmoment ist über das einstellbare
Schluckvolumen einstellbar. Das einstellbare Schluckvolumen wird
den Bremsanforderungen unter Berücksichtigung der in den Druckspeichern
vorherrschenden Drücken, welche mittels Sensoren erfasst
werden, angepasst. Im Schiebebetrieb des Fahrzeugs wird durch den
Hydromotor, der nun als Hydropumpe arbeitet, ein Volumenstrom erzeugt.
Dieser wird dem Hochdruckspeicher zugeführt, sodass der
als Pumpe arbeitende Hydromotor gegen den Druck in dem Hochdruckspeicher
fördert. Dadurch wird ein hydrostatisches Bremsen ermöglicht
und gleichzeitig der Hochdruckspeicher für einen nachfolgenden
Beschleunigungsvorgang aufgeladen.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
hydrostatischen Antriebs ist in der Zeichnung dargestellt und wird
anhand der nachfolgenden Beschreibung detailliert erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Schaltbild eines als geschlossener Kreislauf ausgebildeten erfindungsgemäßen
hydrostatischen Antriebs mit Rückgewinnung von Bremsenergie,
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2 ein
Diagramm zur kombinierten Darstellung eines zeitlichen Verlaufs
sowohl einer Geschwindigkeit eines durch den hydrostatischen Antrieb
angetriebenen Fahrzeugs während eines Brems- und Wiederbeschleunigungs-Prozesses
als auch des dazugehörigen Drucks im Hochdruckspeicher,
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3 ein
Diagramm zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs der eingestellten
Schwenkwinkel von Hydropumpe, Hydromotor und weiterer hydrostatischer
Kolbenmaschine während des in 2 dargestellten
Brems- und Wiederbeschleunigungs-Prozesses.
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1 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
hydrostatischen Antriebs 1. Der hydrostatische Antrieb 1 ist
als geschlossener Kreislauf ausgeführt. Eine Hydropumpe 4 und
ein Hydromotor 3 sind jeweils über eine erste Arbeitsleitung 2 und
eine zweite Arbeitsleitung 15 miteinander verbunden. Die
Hydropumpe 4 und der Hydromotor 3 sind jeweils
als verstellbare hydrostatische Kolbenmaschinen z. B. Axialkolbenmaschinen oder
Schrägachsenmaschinen ausgeführt. Es können
in weiteren Ausführungsbeispielen jedoch alternativ eine
Konstantpumpe und/oder ein Konstantmotor verwendet werden. Die Hydropumpe 4 wird über eine
Antriebswelle 5, mit der sie verbunden ist, angetrieben.
Die Antriebswelle 5 wird ihrerseits von einer Antriebseinheit
angetrieben. Diese kann z. B. als Dieselmotor 500 ausgebildet
sein. Der Hydromotor 3 treibt eine Abtriebswelle 24 an.
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Mit
der Antriebswelle 5 ist außerdem eine weitere
hydrostatische Kolbenmaschine 6 verbunden. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel ist die weitere hydrostatische Kolbenmaschine 6 verstellbar ausgeführt
und stellt eine Pumpe-/Motor-Einheit dar. In weiteren Ausführungsbeispielen
kann die weitere hydrostatische Kolbenmaschine 6 als Konstantpumpe
oder als Konstantmotor ausgeführt sein. Alternativ zur
dargestellten direkten Verbindung der Hydropumpe 4 und
der weiteren hydrostatischen Maschine 6 mit der Antriebswelle 5 könnten
eine oder beide Maschinen auch über zumindest eine Getriebestufe
mit der Antriebswelle 5 zusammenwirken.
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An
der weiteren hydrostatischen Kolbenmaschine 6 sind eine
erste Anschlussstelle 7 und eine zweite Anschlussstelle 16 ausgebildet.
Die erste Anschlussstelle 7 ist über eine erste
Verbindungsleitung 8 mit einem Hochdruckspeicher 9 verbunden.
In der ersten Verbindungsleitung 8 ist eine als Schaltventil ausgebildete
erste Ventileinheit 11 angeordnet. Mit dem Schaltventil
kann die Verbindung zwischen weiterer hydrostatischer Kolbenmaschine 6 und
dem Hochdruckspeicher 9 geöffnet oder geschlossen
werden. Somit wird ein Energie- bzw. Druckmittelaustausch ermöglicht
oder unterbunden.
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Die
erste Anschlussstelle 7 ist zudem über eine zweite
Verbindungsleitung 10 mit der ersten Arbeitsleitung 2 verbunden.
In der zweiten Verbindungsleitung 10 ist eine zweite Ventileinheit 12 angeordnet,
die ebenfalls als Schaltventil ausgebildet ist. Mit dem Schaltventil
kann die Verbindung zwischen weiterer hydrostatischer Kolbenmaschine 6 und
erster Arbeitsleitung 2 geöffnet oder geschlossen
werden, so dass damit ein Energie- bzw. Druckmittelaustausch ermöglicht
oder unterbunden ist.
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Der
Hochdruckspeicher 9 ist ferner über eine dritte
Verbindungsleitung 13 mit der ersten Arbeitsleitung 2 verbunden.
In der dritten Verbindungsleitung 13 ist eine dritte Ventileinheit 14 angeordnet,
die ebenfalls als Schaltventil ausgebildet ist. Mit dem Schaltventil
kann die Verbindung zwischen Hochdruckspeicher 9 und erster
Arbeitsleitung 2 geöffnet oder geschlossen werden.
Ein Energie- bzw. Druckmittelaustausch zwischen Hochdruckspeicher 9 und erster
Arbeitsleitung ist somit freigegeben oder unterdrückt.
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Die
zweite Anschlussstelle 16 ist über eine vierte
Verbindungsleitung 19 mit einem Niederdruckspeicher 20 verbunden.
In der vierten Verbindungsleitung 19 ist eine vierte Ventileinheit 21 als
Schaltventil ausgebildet. Mit dem Schaltventil kann die Verbindung
zwischen weiterer hydrostatischer Kolbenmaschine 6 und
Niederdruckspeicher 20 geöffnet oder geschlossen
werden.
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Die
zweite Anschlussstelle 16 ist über eine fünfte
Verbindungsleitung 17 mit der zweiten Arbeitsleitung 15 verbunden.
In der fünften Verbindungsleitung 17 ist eine
fünfte Ventileinheit 18 als Schaltventil ausgebildet.
Mit dem Schaltventil kann, um damit einen Energie- bzw. Druckmittelaustausch
zu ermöglichen oder zu unterbinden, die Verbindung zwischen weiterer
hydrostatischer Kolbenmaschine 6 und zweiter Arbeitsleitung 15 geöffnet
oder geschlossen werden.
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Der
Niederdruckspeicher 20 ist über eine sechste Verbindungsleitung 22 mit
der zweiten Arbeitsleitung 15 verbunden. In der sechsten
Verbindungsleitung 22 ist eine sechste Ventileinheit 23 als Schaltventil
ausgebildet. Mit dem Schaltventil kann die Verbindung zwischen Niederdruckspeicher 20 und
zweiter Arbeitsleitung 15 geöffnet oder geschlossen
werden.
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Durch
die Anordnung der einzelnen als Schaltventile ausgeführten
Ventileinheiten sind die nachfolgend beschriebenen Betriebszustände
sowohl bei Vorwärtsfahrt als auch bei Rückwartsfahrt möglich.
Vorwärts- und Rückwärtsfahrt unterscheiden
sich dabei in der Strömungsrichtung in der ersten bzw.
zweiten Arbeitsleitung 2, 15. Außerdem
ist es möglich, den Hochdruckspeicher bzw. den Niederdruckspeicher 20 entweder
mit dem Hydromotor 3 oder aber mit der weiteren hydrostatischen
Maschine 6 zu verbinden.
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Mit
dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
hydrostatischen Antriebs sind mehrere Funktionen bzw. Betriebszustände
realisierbar. Den Funktionen bzw. Betriebszuständen entsprechen
dabei spezifische Schaltzustände der als Schaltventile
ausgeführten Ventileinheiten 11, 12, 14, 18, 21, 23.
Wichtige Funktionen sind dabei Beschleunigung, Normalbetrieb und
Bremsbetrieb. Druckmittel kann je nach Bedarf zur Energiespeicherung
aus dem Niederdruckspeicher 20 in den Hochdruckspeicher 9 oder
umgekehrt zur Nutzung von gespeicherter Energie aus dem Hochdruckspeicher 9 in
den Niederdruckspeicher 20 gefördert werden. Der Hochdruckspeicher 9 kann während
des Bremsbetriebs, des Normalbetriebs und/oder des Beschleunigungsbetriebs
zur Energiespeicherung befüllt werden. Zur Unterstützung
des Normalbetriebs und der Beschleunigung kann dieser entleert werden.
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Während
des Bremsbetriebs fließt das Druckmittel durch den geschlossenen
Kreislauf, während dabei Hydropumpe 3 und Hydromotor 4 jeweils einen
von null verschiedenen Schwenkwinkel aufweisen. Im Bremsbetrieb
arbeiten die Hydropumpe 3 als Motor und der Hydromotor 4 als
Pumpe. Das Druckmittel durchströmt dabei in 1 den
geschlossenen Kreislauf z. B. entgegen dem Uhrzeigersinn. Der Bremsvorgang
wird genutzt, um den Hochdruckspeicher 9 mit Druckmittel
unter Erhöhung des Speicherdrucks zu befüllen.
Dazu werden die dritte Ventileinheit 14 und die sechste
Ventileinheit 23 jeweils geöffnet und die zweite
Ventileinheit 12 und die fünfte Ventileinheit 18 jeweils
geschlossen. Die erste Ventileinheit 11 und die vierte
Ventileinheit 21 können dabei jeweils geöffnet
oder geschlossen sein. Jedoch sind die erste und die vierte Ventileinheit 11, 21 vorzugsweise
geschlossen, da somit keine hydraulische Energie in Wärmeenergie
durch Reibungsverluste in der weiteren hydrostatischen Kolbenmaschine 6 umgewandelt
wird und somit dem System entweicht. Während des Bremsbetriebs
wird mit den genannten Schaltzuständen erreicht, dass allein
der Hydromotor 3 Druckmittel vom Niederdruckspeicher 20 in
den Hochdruckspeicher 9 fördert, wobei dadurch
in dem Hochdruckspeicher Druck-Energie gespeichert wird. Die Bremsenergie
wird dadurch in den Hochdruckspeicher 9 aufgenommen und
in diesem gespeichert.
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Ist
der Hochdruckspeicher 9 bereits voll, wird durch einen
entsprechenden Schaltzustand der Hochdruckspeicher 9 von
dem geschlossenen Kreislauf hydraulisch abgetrennt. In diesem Fall
sind zunächst das erste, dritte, vierte und sechste Ventileinheit 11, 14, 21 und 23 jeweils geschlossen
und die als Motor betriebene Hydropumpe 4 stützt
sich zum Bremsen an der Antriebsmaschine 500 ab.
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Im
Normalbetrieb durchströmt das Druckmittel in 1 den
geschlossenen Kreislauf für dieselbe Fahrtrichtung ebenfalls
gegen den Uhrzeigersinn. Es arbeiten die Hydropumpe 3 als
Pumpe und der Hydromotor 4 als Motor. Die weitere hydrostatische
Kolbenmaschine 6 kann dabei die Hydropumpe 4 unterstützen,
indem sie mithilfe der Energie aus der Antriebswelle 5 Druckmittel
aus der ersten Arbeitsleitung 2 in die zweite Arbeitsleitung 15 fördert.
Dadurch sind größere Volumenströme innerhalb
des hydrostatischen Getriebes realisierbar und mit ihnen z. B. auch
größere Geschwindigkeiten von durch den hydrostatischen
Antrieb 1 angetriebenen Fahrzeugen. In diesem Betriebsmodus
sind erste Ventileinheit 11, dritte Ventileinheit 14,
vierte Ventileinheit 21 und sechste Ventileinheit 23 jeweils
geschlossen und lediglich die zweite Ventileinheit 12 und
fünfte Ventileinheit 18 geöffnet. Damit
ist die weitere hydrostatische Kolbenmaschine 6 mit dem
geschlossenen Kreislauf hydraulisch gekoppelt und fördert
parallel zur Hydropumpe 4 Druckmittel von der zweiten Arbeitsleitung 2 in
die zweite Arbeitleitung 15.
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Alternativ
kann auch während des Normalbetriebs Druckmittel zur Energiespeicherung
in den Hochdruckspeicher 9 gefördert werden. Überschüssige
Energie, welche durch das Betreiben des Dieselmotors 500 in
einem ökonomisch sinnvollen Leistungsbereich mit z. B.
hohem Wirkungsgrad von dem Dieselmotor 500 abgegeben wird,
kann von der weiteren hydrostatischen Kolbenmaschine 6 verwendet werden,
um Druckmittel aus dem Niederdruckspeicher 20 in den Hochdruckspeicher 9 zu
fördern. Damit wird Druckmittel aus dem Niederdruckspeicher 20 und
so Energie von dem Dieselmotor 500 in den Hochdruckspeicher 9 gefördert.
Dazu werden alle Ventileinheiten bis auf die erste Ventileinheit 11 und die
vierte Ventileinheit 21 geschlossen und die Förderrichtung und
die Fördervolumeneinstellung der weiteren hydrostatischen
Kolbenmaschine 6 angepasst. Die weitere hydrostatische
Kolbenmaschine 6 ist von dem geschlossenen Kreislauf hydraulisch
entkoppelt. In diesem Schaltzustand der Ventileinheiten kann auch
im Beschleunigungsbetrieb von der weiteren hydrostatischen Kolbenmaschine 6 Druckmittel zur
Energiespeicherung in den Hochdruckspeicher 9 gefördert
werden. Auch in diesem Fall wird die Energie der Antriebseinheit 500 entnommen.
Diese Funktion kann z. B. dann verwendet werden, wenn die Energie-Abgabeleistung
des Dieselmotors 500 die benötigte Beschleunigungsleistung übersteigt.
Dies ist z. B. dann der Fall, wenn der Wirkungsgrad des Dieselmotors 500 bei
einer größeren als der benötigten Energie-Abgabeleistung
höher liegt.
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Die
im Hochdruckspeicher 9 gespeicherte Energie kann wiederverwendet
werden. Während des Beschleunigungsvorgangs wird Druckmittel
und Energie aus dem Hochdruckspeicher 9 genutzt, um die
Hydropumpe 4 über die Antriebswelle 5 mit
einem ersten Drehmoment durch die Antriebsmaschine und mit einem
zusätzlichen, zweiten Drehmoment zu beaufschlagen. Die
Antriebswelle 5 wird dabei von der von Druckmittel aus
dem Hochdruckspeicher 9 durchströmten weiteren
hydrostatischen Kolbenmaschine 6 zusätzlich angetrieben.
Das zusätzliche zweite Drehmoment und das erste Drehmoment, welches
die Antriebseinheit 500 der Antriebswelle 5 zuführt,
addieren sich. Dazu werden alle Ventileinheiten bis auf die erste
Ventileinheit 11 und die vierte Ventileinheit 21 geschlossen.
Das Druckmittel aus dem Hochdruckspeicher 9 fließt über
die erste Verbindungsleitung 8, die weitere hydrostatische
Kolbenmaschine 6 und die vierte Verbindungsleitung 19 in
den Niederdruckspeicher 20. Die im Hochdruckspeicher 9 gespeicherte
Energie wird über die weitere hydrostatische Kolbenmaschine 6 und
die Antriebswelle 5 der Hydropumpe 4 zugeführt.
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Auch
im Normalbetrieb kann Energie aus dem Hochdruckspeicher 9 verwendet
werden. Die Energie des Hochdruckspeichers 9 wird von der
weiteren hydrostatischen Kolbenmaschine 6 auf die Antriebswelle 5 übertragen,
welche ihrerseits ein Drehmoment auf die Hydropumpe 4 überträgt.
Das Drehmoment der weiteren hydrostatischen Kolbenmaschine 6 und
das Drehmoment des die Antriebswelle 5 antreibenden Dieselmotors 500 addieren
sich. Dadurch wird der Dieselmotor 500 entlastet und kann
in einem ökonomischen Leistungsbereich, unter Umständen
auch im Leerlauf, wenn das Moment der weiteren hydrostatischen Maschine 6 genügt,
betrieben werden. Für diese Funktion sind alle Ventileinheiten bis
auf die erste Ventileinheit 11 und die vierte Ventileinheit 21 geschlossen
und die Förderichtung der weiteren hydrostatischen Kolbenmaschine 6 angepasst.
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Wahlweise
kann durch Schließung aller Ventileinheiten ein gewöhnlicher
geschlossener hydrostatischer Kreislauf mit nur einer Hydropumpe 4 realisiert
werden.
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In
der 2 ist ein erstes Diagramm 30, welches
einen zeitlichen Verlauf des Drucks 39 im Hochdruckspeicher 9 während
eines ebenfalls dargestellten zeitlichen Verlaufs der Geschwindigkeit 36 eines durch
den hydrostatischen Antrieb 1 angetriebenen Fahrzeugs darstellt.
Die horizontale Achse stellt dabei eine Zeitachse 31 dar.
Die vertikale Achse 32 dagegen stellt für den
zeitlichen Verlauf des Drucks 39 mit dem Druckanstieg 40 und
dem Druckabfall 41 eine Druckachse und für den
zeitlichen Verlaufs der Geschwindigkeit 36 mit dem Geschwindigkeitsabfall 37 und
dem Geschwindigkeitszuwachs 38 eine Geschwindigkeitsachse
dar. Während des Bremsvorgangs im ersten Zeitintervall 33 nimmt
die Geschwindigkeit entsprechend dem dargestellten Geschwindigkeitsabfall 37 linear
ab. Der Geschwindigkeitsabfall 37 geht mit dem dargestellten
Druckanstieg 40 einher. Der Hochdruckspeicher 9 wird
dabei mit Druckmittel aus dem Niederdruckspeicher 20 und Bremsenergie
aus dem Bremsvorgang durch den Hydromotor 3 gespeist. Die
Bremsenergie stammt aus der kinetischen Energie des durch den hydrostatischen
Antrieb 1 abgebremsten Fahrzeugs.
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Nach
dem Abbremsen des Fahrzeugs im ersten Zeitintervall 33 wird
das Fahrzeug in dem zweiten Zeitintervall 34 und in dem
dritten Zeitintervall 35 jeweils beschleunigt. Die Geschwindigkeit nimmt
dabei entsprechend dem Geschwindigkeitszuwachs 38 linear
zu. Während des zweiten Zeitintervalls 34 werden
zur Unterstützung des Beschleunigungsvorgangs Energie und
Druckmittel aus dem Hochdruckspeicher 9 verwendet. Dazu
wird der Hochdruckspeicher 9 über die weitere
hydrostatische Kolbenmaschine 6 in den Niederdruckspeicher 20 entleert.
Der Druck im Hochdruckspeicher 9 nimmt entsprechend dem
Druckabfall 41 ab. Das Druckmittel fließt über
die weitere hydrostatische Kolbenmaschine 6 in den Niederdruckspeicher 20 ab.
Die Druckenergie wird von der weiteren hydrostatischen Kolbenmaschine 6 auf
die Antriebswelle 5 übertragen, welche die Hydropumpe 4 mit
einem entsprechenden zusätzlichen Drehmoment beaufschlagt.
Die Hydropumpe 4 treibt damit den Hydromotor 3 an.
Der Beschleunigungsvorgang wird in dem zweiten Zeitintervall 34 durch
den Druckabbau im Hochdruckspeicher 9 unterstützt,
bis dieser entleert ist und/oder keinen ausreichenden Druck mehr
aufweist. Dieser Punkt wird am Ende des zweiten Zeitintervalls erreicht,
welcher den Beginn des dritten Zeitintervalls 35 darstellt. Im
dritten Zeitintervall 35 wird die Geschwindigkeitszunahme 38 ohne
Unterstützung des Hochdruckspeicherdrucks dafür
jedoch mit einem zusätzlichen Volumenstrom durch die weitere
hydrostatische Kolbenmaschine weitergeführt. Die Beschleunigungsenergie
stammt lediglich aus dem Dieselmotor 500.
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3 zeigt
ein zweites Diagramm 50. Darin stellen die horizontale
Achse eine zweite Zeitachse 51 und die vertikale Achse
eine Schwenkwinkelachse 52 dar. Die gepunktete Linie 57 stellt
den zeitlichen Verlauf des Betrags des Schwenkwinkels der weiteren
hydrostatischen Kolbenmaschine 6 dar. Die gestrichelte
Linie 58 repräsentiert den zeitlichen Verlauf
des Betrags des Schwenkwinkels der Hydropumpe 4. Die durchgezogene
Linie 59 zeigt den zeitlichen Verlauf des Betrags des Schwenkwinkels
des Hydromotors 3.
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In
dem ersten Zeitintervall 33 sind die Schwenkwinkel der
Hydropumpe 4 und der weiteren hydrostatischen Kolbenmaschine 6 auf
null geschwenkt und der Hydromotor 3 auf ein Schluckvolumen
eingestellt, das bei den aktuellen, d. h. den dann vorherrschenden,
Drücken dem gewünschten Bremsmoment entspricht.
In einem Ausführungsbeispiel, bei dem maximal gebremst
wird, ist das Schluckvolumen dazu maximal. In einem Ausführungsbeispiel,
bei dem nicht maximal gebremst wird, ist das Schluckvolumen jedoch
nicht maximal sondern angepasst kleiner eingestellt. Das Bremsmoment
ist über das einstellbare Schluckvolumen einstellbar. Das
einstellbare Schluckvolumen wird dazu sowohl den Bremsanforderungen
als den in den Druckspeichern 9, 20 vorherrschenden
Drücken angepasst. Dazu werden die in den Druckspeichern 9, 20 vorherrschenden
Drücke jeweils mittels nicht dargestellten Sensoren erfasst
und mittels einer nicht dargestellten Rechnereinheit verwertet.
Auf diese Weise fördert der Hydromotor 3 während
des hydrostatischen Bremsens Druckmittel von dem Niederdruckspeicher 20 in
den Hochdruckspeicher 9. Dadurch erhöht sich der
Druck im Hochdruckspeicher 9 und mit diesem auch die in
diesem gespeicherte Bremsenergie. Am Ende des ersten Zeitintervalls 33 ist
der Hochdruckspeicher 9 voll. Der Schwenkwinkel des Hydromotors 3 wird
bei Stillstand des Fahrzeugs auf null gestellt. Das hydrostatische
Bremsen kann sowohl mit vollem Hochdruckspeicher 9 als
auch ohne vollen Hochdruckspeicher 9 beendet werden.
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Zu
Beginn des zweiten Zeitintervalls 34 werden zum Einleiten
des Beschleunigungsbetriebs die Schwenkwinkel von Hydromotor 3 und
weiterer hydrostatischer Kolbenmaschine 6 voll ausgelenkt.
Die weitere hydrostatische Kolbenmaschine 6 nimmt Druckmittel
aus dem Hochdruckspeicher 9 auf und treibt die Hydropumpe 4 über
die Antriebswelle 5 an. Durch den maximalen Schwenkwinkel
liefert die weitere hydrostatische Kolbenmaschine 6 die
für das Druckverhältnis zwischen Hochdruckspeicher 9 und Niederdruckspeicher 20 und
der jeweils vorliegenden Drehzahl maximale Leistung an die Antriebswelle 5. Der
Hydromotor 3 liefert durch den maximalen Schwenkwinkel
die für das Druckverhältnis zwischen zweiter Arbeitsleitung 15 und
erster Arbeitsleitung 2 und für die jeweils vorliegende
Drehzahl maximale Leistung. Das Drehzahlverhältnis zwischen
Hydropumpe 4 und Hydromotor 3 und der Volumenstrom im
geschlossenen Kreislauf werden zum Beschleunigen im zweiten Zeitintervall 34 durch
Vergrößern des Schwenkwinkels der Hydropumpe 4 gesteuert.
Zu Beginn des zweiten Zeitintervalls 34 ist der Schwenkwinkel
der Hydropumpe 4 null. Von dort an steigt er linear mit
der Zeit an. Der Volumenstrom im geschlossenen Kreislauf und die
Geschwindigkeit des Fahrzeugs nehmen jeweils zu. Die Hydropumpe 4 wird
im zweiten Zeitintervall 54 durch den Dieselmotor 500 und
die weitere hydrostatische Kolbenmaschine 4 gemeinsam angetrieben.
Der Hochdruckspeicher 9 wird über die weitere
hydrostatische Kolbenmaschine 6 in den Niederdruckspeicher 20 entleert.
Am Ende des zweiten Zeitintervalls 34 ist der Hochdruckspeicher 9 entleert
und/oder liefert keinen ausreichenden Druck mehr. Die weitere hydrostatische
Kolbenmaschine 6 wird von den Druckspeichern 9, 20 entkoppelt
und der Schwenkwinkel auf null zurückgesetzt.
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Zu
Beginn des dritten Zeitintervalls 35 in einem Zeitabschnitt 35' wird
die weitere hydrostatische Kolbenmaschine 6 an den geschlossenen
Kreislauf hydraulisch gekoppelt. In dem Zeitabschnitt 35' fördert
sie parallel zur Hydropumpe 4 Druckmittel von der ersten
Arbeitsleitung 2 in die zweite Arbeitsleitung 15.
Hydropumpe 4 und weitere hydrostatische Kolbenmaschine 6 werden
jeweils über die Antriebswelle 5 durch den Dieselmotor 500 angetrieben.
Der Schwenkwinkel der weiteren hydrostatischen Kolbenmaschine 6 wird
im Zeitabschnitt 35' von null an kontinuierlich mit der
Zeit erhöht. Somit steigt auch der gesamte Volumenstrom
durch den geschlossenen Kreislauf kontinuierlich weiter an. Am Ende
des Zeitabschnitts 35' ist der Schwenkwinkel der weiteren
hydrostatischen Kolbenmaschine 6 maximal.
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Es
folgt ein weiterer Zeitabschnitt 35'', in dem sowohl die
Hydropumpe 4 als auch die weitere hydrostatische Kolbenmaschine 6 maximalen Schwenkwinkel
aufweisen und gemeinsam den Hydromotor 3 antreiben. Der
Schwenkwinkel des Hydromotors 3 wird kontinuierlich reduziert,
so dass dessen Drehzahl sich kontinuierlich erhöht und
das Fahrzeug weiterhin beschleunigt wird.
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Neben
den Schwenkwinkeln werden auch die Ventileinheiten 11, 12, 13, 18, 21 und 23 jeweils angesteuert.
Die Schaltzustände der Ventileinheiten 11, 12, 13, 18, 21 und 23 werden
funktionsspezifisch entsprechend den Ausführungen zu 1 angesteuert.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt. Vielmehr sind auch einzelne Merkmale der Ausführungsbeispiele vorteilhaft
miteinander kombinierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006060014
A1 [0002, 0005]
- - DE 102005061991 A1 [0002, 0003]