DE102013204025A1

DE102013204025A1 - Hydraulisches Hybridsystem

Info

Publication number: DE102013204025A1
Application number: DE102013204025.3A
Authority: DE
Inventors: Armando Vollono; Joachim-Martin Paul; Ivovincenzo Damiani; Matteo Tondo; Paolo Ciccarese
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2014-09-11

Abstract

Hydraulisches Hybridsystem (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (18), umfassend einen hydraulischen Motor (3) als hydraulische Maschine (3) zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie, eine hydraulische Pumpe (5) als hydraulische Maschine (5) zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie, indem von der hydraulischen Pumpe (5) eine Hydraulikflüssigkeit förderbar ist, einen Druckspeicher (7) zur Speicherung von hydraulischer Energie, wobei die hydraulische Pumpe (5) als eine Hochdruckpumpe (6) und der hydraulische Motor (3) als ein Hochdruckmotor (4) ausgebildet ist, so dass in dem Druckspeicher (7) hydraulische Energie unter Hochdruck speicherbar und mit dem hydraulischen Motor (3) als mechanische Energie nutzbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydraulisches Hybridsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verbrennungsmotorsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 8 und ein Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Hybridsystems und eines Verbrennungsmotorsystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 9.
Stand der Technik
In Hochdruckeinspritzsystemen für Verbrennungsmotoren, insbesondere in Common-Rail-Einspritzsystemen von Diesel- oder Benzinmotoren, sorgt eine Hochdruckpumpe dauernd für die Aufrechterhaltung des Druckes in dem Hochdruckspeicher des Common-Rail-Einspritzsystems. Die Hochdruckpumpe kann beispielsweise durch eine Nockenwelle des Verbrennungsmotors mittels einer Antriebswelle angetrieben werden. Für die Förderung des Kraftstoffs zur Hochdruckpumpe werden Vorförderpumpen, z. B. eine Zahnrad- oder Drehschieberpumpe, verwendet, die der Hochdruckpumpe vorgeschaltet sind. Die Vorförderpumpe fördert den Kraftstoff von einem Kraftstofftank durch eine Kraftstoffleitung zu der Hochdruckpumpe. Als Hochdruckpumpen werden unter anderem Kolbenpumpen eingesetzt.
Kraftfahrzeuge mit einem hydraulischen Hybridsystem weisen einen hydraulischen Motor zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie, eine hydraulische Pumpe zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie und einen Druckspeicher zur Speicherung von hydraulischer Energie auf. Mit dem hydraulischen Hybridsystem kann mechanische Energie, beispielsweise von einem Verbrennungsmotor oder in einem Rekuperationsbetrieb die kinetische Energie des Kraftfahrzeuges, genutzt werden, um den Druck an Hydraulikflüssigkeit in einem Druckspeicher, insbesondere in einem Hochdruckspeicher, zu erhöhen um dadurch hydraulische Energie in dem Hochdruckspeicher zu speichern. Aus diesem Grund ist es erforderlich, an dem Kraftfahrzeug mit dem hydraulischen Hybridsystem sowohl einen gesonderten hydraulischen Motor als auch eine gesonderte hydraulische Pumpe sowie den Druckspeicher vorzuhalten. Die hydraulische Pumpe dient zur Umwandlung von mechanischer Energie, z. B. des Verbrennungsmotors, in hydraulische Energie, d. h. zur Erhöhung des Druckes in dem Druckspeicher. Zusätzliche Bauteile an dem Kraftfahrzeug führen jedoch zu einem zusätzlichen Bauraumbedarf und zu höheren Kosten und auch zu einem höheren Gewicht an dem Kraftfahrzeug in nachteiliger Weise.
Aus der WO 2010/069857 A1 ist ein Hybridantriebssystem mit einer Brennkraftmaschine bekannt, die mit Kraftstoff aus einem Kraftstofftank betrieben wird und mit einer hydraulischen Maschine, die mit einem hydraulischen Energiespeicher zusammen wirkt, wobei die hydraulische Maschine mit dem gleichen Kraftstoff betrieben wird, mit dem auch die Brennkraftmaschine betrieben wird.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Hybridsystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, umfassend einen hydraulischen Motor als hydraulische Maschine zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie, eine hydraulische Pumpe als hydraulische Maschine zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie, indem von der hydraulischen Pumpe eine Hydraulikflüssigkeit förderbar ist, einen Druckspeicher zur Speicherung von hydraulischer Energie, wobei die hydraulische Pumpe als eine Hochdruckpumpe und der hydraulische Motor als ein Hochdruckmotor ausgebildet ist, so dass in dem Druckspeicher hydraulische Energie unter Hochdruck speicherbar und mit dem hydraulischen Motor als mechanische Energie nutzbar ist. Die hydraulische Pumpe ist als eine Hochdruckpumpe und der hydraulische Motor ist als ein Hochdruckmotor ausgebildet, so dass in dem Druckspeicher die hydraulische Energie unter Hochdruck speicherbar ist. In dem Druckspeicher treten dadurch große Druckdifferenzen, z. B. mehr als 200 bar, 500 bar, 1000 bar oder 2000 bar, auf und dadurch kann pro Bauvolumen bzw. pro Masseneinheit des Druckspeichers eine große hydraulische Energie gespeichert werden. Dadurch kann der Druckspeicher gegenüber einer Speicherung mit Hydraulikflüssigkeit unter einem niedrigen Druckniveau kleiner ausgebildet sein bei der gleichen in dem Druckspeicher speicherbaren Energiemenge.
Insbesondere ist die Hochdruckpumpe dahingehend ausgebildet, dass von der Hochdruckpumpe der Druck der Hydraulikflüssigkeit auf einem Druck von wenigstens 200 bar, 500 bar, 1000 bar oder 2000 bar erhöhbar ist zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie und/oder der Hochdruckmotor ist dahingehend ausgebildet, dass Hydraulikflüssigkeit mit einem Druck von wenigstens 200 bar, 500 bar, 1000 bar oder 2000 bar verarbeitbar ist zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanischer Energie.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Hochdruckpumpe und der Hochdruckmotor von der identischen hydraulischen Maschine gebildet, insbesondere sind ein bewegliches Arbeitsorgan, z. B. ein Kolben, ein identische Arbeitsorgan an der Hochdruckpumpe und dem Hochdruckmotor. Die Hochdruckpumpe und der Hochdruckmotor sind von der identischen hydraulischen Maschine gebildet. In vorteilhafter Weise werden somit für die Hochdruckpumpe und dem Hochdruckmotor keine zwei separaten hydraulischen Maschinen eingesetzt, so das dadurch Bauraum und Baugewicht an dem hydraulischen Hybridsystem eingespart werden kann.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist als Hydraulikflüssigkeit zur Speicherung von hydraulischer Energie Kraftstoff, insbesondere Diesel, des Verbrennungsmotors eingesetzt, insbesondere ist ausschließlich Kraftstoff als Hydraulikflüssigkeit eingesetzt. Kraftstoff, insbesondere Diesel eines Verbrennungsmotors als Dieselmotor oder Benzin eines Benzinmotors als Verbrennungsmotor wird aufgrund des Verbrauches des Kraftstoffes ständig ausgetauscht, so dass dadurch keine Wartung oder ein Austausch der Hydraulikflüssigkeit erforderlich ist.
Vorzugsweise umfasst der Druckspeicher einen Hochdruckspeicher und einen Niederdruckspeicher und der Niederdruckspeicher ist von einem Kraftstofftank des Verbrennungsmotors gebildet. Als Niederdruckspeicher wird der Kraftstofftank eingesetzt, so dass dadurch der ohnehin an dem Kraftfahrzeug vorhandene Kraftstofftank als Niederdruckspeicher für das hydraulische Hybridsystem eingesetzt werden kann. In vorteilhafter Weise ist dadurch kein zusätzlicher Niederdruckspeicher für das hydraulische Hybridsystem erforderlich.
In einer Variante ist in einem Rekuperationsbetrieb von der Hochdruckpumpe kinetische Energie des Kraftfahrzeuges in mechanische Energie umwandelbar, da die Hochdruckpumpe mechanisch mit einem Antriebsrad des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
Zweckmäßig ist die Hochdruckpumpe auch als Injektorhochdruckpumpe eines Hochdruckeinspritzsystems eingesetzt und/oder die Hochdruckpumpe zum Fördern von Kraftstoff als Hydraulikflüssigkeit auch als Injektorhochdruckpumpe als identische Baueinheit zum Fördern von Kraftstoff zu einem Injektor des Verbrennungsmotors eingesetzt ist, insbesondere sind ein bewegliches Arbeitsorgan, z. B. ein Kolben, ein identische Arbeitsorgan an der Hochdruckpumpe und der Injektorhochdruckpumpe oder die Hochdruckpumpe dient nur zum Fördern von Hydraulikflüssigkeit zu dem Druckspeicher und eine Injektorhochdruckpumpe dient als gesonderte Baueinheit in Ergänzung zu der Hochdruckpumpe nur zum Fördern von Kraftstoff zu Injektoren des Verbrennungsmotors oder die Hochdruckpumpe sind zum Fördern von Hydraulikflüssigkeit zu dem Druckspeicher und die Injektorhochdruckpumpe zum Fördern von Kraftstoff zu Injektoren des Verbrennungsmotors als eine gemeinsame Baueinheit, insbesondere mit einem gemeinsamen Gehäuse, ausgebildet jedoch mit getrennten Arbeitsorganen, z. B. Kolben, jeweils nur zum Fördern von Hydraulikflüssigkeit zu dem Druckspeicher und nur zum Fördern von Kraftstoff zu Injektoren des Verbrennungsmotors. Die Hochdruckpumpe dient sowohl zum Fördern von Kraftstoff als Hydraulikflüssigkeit zu dem Hochdruckspeicher als auch als Injektorhochdruckpumpe eines Hochdruckeinspritzsystemes zum Fördern von Kraftstoff zu den Injektoren des Verbrennungsmotores. Dadurch kann mit einer einzigen hydraulischen Maschine sowohl die Hochdruckpumpe als auch der Hochdruckmotor als auch die Injektorhochdruckpumpe zur Verfügung gestellt werden. Dadurch können zusätzliche hydraulische Maschinen an dem hydraulischen Hybridsystem in vorteilhafter Weise eingespart werden, so dass das hydraulische Hybridsystem in der Herstellung preiswert, wenig Bauraum sowie auch wenig Masse an dem Kraftfahrzeug in vorteilhafter Weise benötigt.
Erfindungsgemäßes Verbrennungsmotorsystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Hochdruckeinspritzsystem mit einer Injektorhochdruckpumpe, vorzugsweise einem Hochdruck-Rail, vorzugsweise einer Vorförderpumpe zum Fördern eines Kraftstoffes von einem Kraftstofftank zu der Injektorhochdruckpumpe, vorzugsweise einen Antriebsstrang zum Antreiben von Antriebsrädern des Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor und/oder einem hydraulischen Motor, ein hydraulisches Hybridsystem mit einem hydraulischen Motor zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie, einer hydraulische Pumpe zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie, einem Druckspeicher zur Speicherung von hydraulischer Energie, wobei das hydraulische Hybridsystem als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene hydraulisches Hybridsystem ausgebildet sind.
Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Hybridsystems und/oder eines Verbrennungsmotorsystems, insbesondere eines in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen hydraulischen Hybridsystems und/oder eines in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verbrennungsmotorsystems, mit den Schritten: Fördern von Hydraulikflüssigkeit von einem Niederdruckspeicher zu einem Hochdruckspeicher mit einer hydraulischen Pumpe, so dass von der hydraulischen Pumpe mechanische Energie in hydraulische Energie umgewandelt wird, Leiten der Hydraulikflüssigkeit von dem Hochdruckspeicher zu dem Niederspeicher und durch einen hydraulischen Motor, so dass in dem hydraulischen Motor hydraulische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird und die mechanische Energie zum Antrieb des Kraftfahrzeuges eingesetzt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit unter einem Hochdruck von wenigstens 200 bar, 500 bar, 1000 bar oder 2000 bar von der hydraulischen Pumpe in den Hochdruckspeicher eingeleitet wird und die Hydraulikflüssigkeit unter dem Hochdruck von wenigstens 200 bar, 500 bar, 1000 bar oder 2000 bar von dem Hochdruckspeicher in den hydraulischen Motor eingeleitet wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird als Hydraulikflüssigkeit, insbesondere ausschließlich, Kraftstoff, vorzugsweise Diesel, des Verbrennungsmotors eingesetzt.
Insbesondere wird als Niederdruckspeicher der Kraftstofftank des Verbrennungsmotors eingesetzt und/oder in dem hydraulischen Motor wird der Druck der Hydraulikflüssigkeit um wenigstens 100 bar, 300 bar, 600 bar, 1000 bar oder 2000 bar reduziert und/oder in der hydraulischen Pumpe wird der Druck der Hydraulikflüssigkeit um wenigstens 100 bar, 300 bar, 600 bar, 1000 bar oder 2000 bar erhöht.
In einer weiteren Ausgestaltung beträgt der Druck in dem Niederdruckspeicher, insbesondere dem Kraftstofftank, weniger als 5 bar, 3 bar oder 2 bar, insbesondere beträgt der Druck in dem Niederdruckspeicher als Kraftstofftank im Wesentlichen 1 bar.
In einer ergänzenden Variante wird die Hydraulikflüssigkeit, insbesondere der Kraftstoff, von dem identischen hydraulischen Motor und der identischen hydraulischen Pumpe gefördert, insbesondere sind das sich bewegende Arbeitsorgan, z. B. ein Kolben, des hydraulischen Motors und der hydraulischen Pumpe identisch.
In einer weiteren Variante wird die hydraulischen Pumpe in einem Rekuperationsbetrieb von einem Antriebsrad des Kraftfahrzeuges angetrieben, so dass kinetische Energie des Kraftfahrzeuges in hydraulische Energie in dem Druckspeicher umgewandelt wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird Kraftstoff von dem Hochdruckspeicher in das Hochdruck-Rail geleitet und umgekehrt.
Vorzugsweise weist die Hochdruckpumpe und/oder die Injektorhochdruckpumpe eine Zumesseinheit an einem Einlasskanal auf zur Steuerung und/oder Regelung des der Hochdruckpumpe und/oder der Injektorhochdruckpumpe zuführbaren Volumenstromes an Fluid. Die Zumesseinheit weist einen Ventilschieber auf, der mit einem Elektromagneten geöffnet und geschlossen werden kann. Der Ventilschieber wird dabei ständig geöffnet und geschlossen und länger die Öffnungszeiten sind im Verhältnis zu den Schließzeiten, desto mehr Hydraulikflüssigkeit und/oder Kraftstoff kann gefördert werden.
In einer Variante umfasst das Hybridsystem einen Niederdruckspeicher und einen Hochdruckspeicher.
Zweckmäßig ist die Hydraulikflüssigkeit Benzin als Kraftstoff. In eine weiteren Ausführungsform ist der hydraulische Motor und die hydraulische Pumpe als eine Kolbenpumpe ausgebildet, insbesondere ist der wenigstens eine Kolben von einem Kurbeltrieb, einer Kurbelwelle, einer Nockenwelle oder einer Exzenterwelle bewegt und der Kurbeltrieb, die Kurbelwelle, die Nockenwelle oder die Exzenterwelle ist von dem Verbrennungsmotor angetrieben.
Insbesondere ist der Hochdruckspeicher ein Blasenspeicher, ein Kolbenspeicher oder ein Federspeicher. In dem Blasenspeicher ist ein Gas innerhalb einer elastischen Blase angeordnet, das beim Einleiten von Hydraulikflüssigkeit in den Blasenspeiche komprimiert wird und umgekehrt. Die Blase aus Gummi oder Kunststoff ist von Hydraulikflüssigkeit umgeben innerhalb eines Speichergehäuses. Die Hydraulikflüssigkeit dient zur Druckbeaufschlagung und Druckentlastung des Hochdruckspeichers und die Energiespeicherung findet in dem Hochdruckspeicher statt.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Hydraulikflüssigkeit ein Hydrauliköl und der hydraulische Motor und die hydraulische Pumpe sind getrennte Baueinheiten in Ergänzung zu der Injektorhochdruckpumpe, welche Kraftstoff fördert.
In einer weiteren Variante umfasst das Verbrennungsmotorsystem und/oder das hydraulische Hybridstem den Verbrennungsmotor und/oder einen mechanischen Antriebsstrang zur mechanischen Kraftübertragung von dem Verbrennungsmotor und/oder hydraulischen Motor zu dem wenigstens einen Antriebsrad des Kraftfahrzeuges.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Vorförderpumpe eine Vorförderpumpe mit Elektromotor, so dass die Vorförderpumpe von dem Elektromotor angetrieben ist und insbesondere ist die Förderleistung der Vorförderpumpe steuerbar und/oder regelbar.
Vorzugsweise ist die Zumesseinheit als ein elektrisches Schaltventil ausgebildet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
1 eine stark schematisierte Ansicht eines hydraulischen Hybridsystem und eines Verbrennungsmotorsystems,
2 eine stark vereinfachten Schnitt einer hydraulischen Maschine als Hochdruckpumpe, als Hochdruckmotor und als Injektorhochdruckpumpe Und
3 eine Ansicht einer Hochdruckpumpe und eines Hochdruckmotors als erste Baueinheit und einer Injektorhochdruckpumpe als zweite, getrennte Baueinheit.
Ausführungsformen der Erfindung
Ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug weist einen Verbrennungsmotor 18 als Dieselmotor zum Antrieb des Kraftfahrzeuges auf. Der Verbrennungsmotor 18 weist vier nicht dargestellte Verbrennungsmotorkolben mit entsprechenden Verbrennungsmotorzylindern auf. In die Arbeitsräume an den Verbrennungsmotorzylindern wird durch jeweils einen von vier Injektoren 17 Diesel als Kraftstoff von einem Hochdruck-Rail 16 eingespritzt. In einem Kraftstofftank 10 ist Diesel als Kraftstoff aufbewahrt und mit einer Vorförderpumpe 11 wird der Kraftstoff durch eine Kraftstoffzulaufleitung 13 und durch eine Zumesseinheit 12 einer Injektorhochdruckpumpe 15 zugeführt. Bei einer Ausbildung der Vorförderpumpe 11 als elektrische Vorförderpumpe 11, welche in der Leistung steuerbar und/oder regelbar ist, kann die Zumesseinheit 12 eines Hochdruckeinspritzsystemes 19 auch entfallen. Von der Injektorhochdruckpumpe 15 wird der Kraftstoff, welcher von der Vorförderpumpe 11 unter einem Druck zwischen 3 bar und 5 bar der Injektorhochdruckpumpe 15 zugeführt wird, in dem Druck stark erhöht auf einen Druckbereich zwischen 3000 bar und 4000 bar. Der Kraftstoff unter Hochdruck wird von der Injektorhochdruckpumpe 15 durch eine Hochdruckkraftstoffleitung 33 dem Hochdruck-Rail 16 zugeführt. Mit einem Drucksensor 32 wird der Druck in dem Hochdruck-Rail 16 erfasst und mittels nicht dargestellter Datenleitung einer Steuereinheit 30 eines Verbrennungsmotorsystems 2 zugeführt. Mittels einer Steuerung der von der Injektorhochdruckpumpe 15 geförderten Volumenstromes an Kraftstoff durch die Hochdruckkraftstoffleitung 33 kann in dem Hochdruck-Rail 16 ein im Wesentlichen konstanter Druck zwischen 3000 bar und 4000 bar vorgehalten werden. Die von dem Verbrennungsmotor 18 abgegebene mechanische Energie wird mittels eines Antriebsstranges 20 Antriebsrädern 25 zugeführt. Mittels einer nicht dargestellten Antriebswelle kann die mechanische Energie von dem Verbrennungsmotor 18 direkt einem Getriebe 21 sowie von dem Getriebe 21 einem Differentialgetriebe 23 zugeführt werden. Das Differentialgetriebe 23 treibt zwei Radantriebswellen 24 mit jeweils einem Antriebsrad 25 an. In 1 ist eine Pumpenwelle 39 dargestellt und mittels der Pumpenwelle 39 wird die Injektorhochdruckpumpe 15 von dem Verbrennungsmotor 18 mechanisch angetrieben. Mittels einer Kupplung 22 kann die mechanische Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor 18 und der Injektorhochdruckpumpe 15 gelöst werden.
Das nicht dargestellte Kraftfahrzeug weist auch ein hydraulisches Hybridsystem 1 als Bestandteil eines Verbrennungsmotorsystems 2 auf. Von einer hydraulischen Pumpe 5 als Hochdruckpumpe 6 kann Kraftstoff von der Kraftstoffzulaufleitung 13 angesaugt und durch eine Hochdruckkraftstoffleitung 34 einem Druckspeicher 7 als Hochdruckspeicher 8 unter einem Druck von 3000 bar bis 4000 bar zugeführt werden. Die hydraulische Pumpe 5 ist somit dahingehend ausgebildet, so dass diese als Hochdruckpumpe 6 eingesetzt werden kann, d. h. den Kraftstoff als Hydraulikflüssigkeit des hydraulischen Hybridsystems 1 auf einen Druck von mehr als 3000 bar bis 4000 bar erhöht. Ferner weist das hydraulische Hybridsystem 1 einen hydraulischen Motor 3 als Hochdruckmotor 4 auf. Mit der Hochdruckpumpe 6 kann mechanische Energie des Verbrennungsmotors 18 oder in einem Rekuperationsbetrieb kinetische Energie des Kraftfahrzeuges in hydraulische Energie umgewandelt werden, indem die Hydraulikflüssigkeit, d. h. der Kraftstoff als Dieselkraftstoff in den Hochdruckspeicher 8 gefördert wird. Durch Leiten von Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 8 in den hydraulischen Motor 3 als Hochdruckmotor 4 kann hydraulische Energie in mechanische Energie umgewandelt werden. Der Kraftstoff als Diesel wird somit durch die Hochdruckkraftstoffleitung 34 von dem Hochdruckspeicher 8 dem Hochdruckmotor 4 zugeführt und in dem Hochdruckmotor 4 wird der Druck des Diesels stark reduziert, z. B. von 4000 bar auf einen Druck zwischen 1 bar und 2 bar. Durch diese Druckreduzierung kann hydraulische Energie freigesetzt und diese wird von dem Hochdruckmotor 4 in mechanische Energie umgewandelt und dadurch die Pumpenwelle 39 angetrieben und damit auch die Antriebsräder 25 zum Antrieb des Kraftfahrzeuges. Nach dem Durchleiten des Diesels durch die Hochdruckkraftstoffleitung 34 und den Hochdruckmotor 4 wird der Diesel durch eine Kraftstoffrücklaufleitung 14 mit einem sehr geringen Druck zwischen 1 bar und 2 bar wieder dem Kraftstofftank 10 zugeführt, so dass der Kraftstofftank 10 auch als Niederdruckspeicher 9 des hydraulischen Hybridsystems 1 dient. Die Hochdruckpumpe 6 und der Hochdruckmotor 4 sind von der gleichen bzw. identischen hydraulischen Maschine 4, 6 gebildet und weisen wenigstens ein Arbeitsorgan 26, z. B. einen Kolben 27 auf. Der Kolben 27 wird dabei sowohl in der Hochdruckpumpe 6 zur Erhöhung des Druckes, d. h. zum Fördern des Kraftstoffes durch die Hochdruckkraftstoffleitung 34 in den Hochdruckspeicher 8 eingesetzt als auch zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie indem der Diesel durch die Hochdruckkraftstoffleitung 34 durch einen Arbeitsraum 28 an dem Kolben 27 wieder in die Kraftstoffrücklaufleitung 14 eingeleitet wird.
In der Hochdruckkraftstoffleitung 33 ist ein Ventil 36 eingebaut, in der Hochdruckkraftstoffleitung 34 ein Ventil 38 und mit einer Hochdruckkraftstoffverbindungsleitung 35 ist die Hochdruckkraftstoffleitung 33 mit der Hochdruckkraftstoffleitung 34 verbunden. In der Hochdruckkraftstoffverbindungsleitung 35 ist ein zusätzliches Ventil 37 eingebaut. Die Ventile 36, 37, 38 sind mittels nicht dargestellter Datenleitungen mit der Steuereinheit 30 verbunden. Ferner ist auch die Vorförderpumpe 11 und/oder die Zumesseinheit 12 mittels entsprechender Datenleitungen mit der Steuereinheit 30 verbunden. Durch entsprechendes Öffnen und Schließen der Ventile 36, 37, 38 und Steuerung der von der Injektorhochdruckpumpe 15 dem Hochdruck-Rail 16 zugeführten Volumenstromes an Kraftstoff und des durch die Hochdruckkraftstoffleitung 34 geleiteten Volumenstromes an Kraftstoff in jeweils beiden Richtungen kann somit gesteuert und/oder geregelt werden, welcher Volumenstrom an Kraftstoff dem Hochdruck-Rail 16 und/oder dem Hochdruckspeicher 8 zugeführt und/oder zuführbar ist und/oder von dem Hochdruckspeicher 8 in den Kraftstofftank 10 eingeleitet wird und/oder von dem Hochdruckspeicher 8 in das Hochdruck-Rail 16 eingeleitet wird und/oder umgekehrt.
Die Hochdruckpumpe 6 als auch die Injektorhochdruckpumpe 15 sind von einer identischen hydraulischen Maschine gebildet, so dass die Kolben 27 an den Arbeitsräumen 28 sowohl zum Fördern von Kraftstoff zu dem Hochdruck-Rail 16 als auch in den Hochdruckspeicher 8 eingesetzt sind.
Von der Steuereinheit 30 können somit unterschiedliche Betriebszustände des hydraulischen Hybridsystemes 1 und/oder des Verbrennungsmotorsystemes 2 gesteuert werden. Beispielsweise kann in einem Betriebsmodus zur ausschließlichen Speicherung von hydraulischer Energie von der Hochdruckpumpe 6, die mittels kinetischer Energie des Kraftfahrzeuges angetrieben ist, der Kraftstoff durch die Hochdruckkraftstoffleitung 34 in den Hochdruckspeicher 8 gefördert werden, so dass das Ventil 38 geöffnet und die Ventile 36 und 37 geschlossen sind. In einem weiteren Betriebszustand, bei welchem der Ist-Druck in dem Hochdruck-Rail 16 kleiner ist als der Soll-Druck, ist das Ventil 38 und 37 geöffnet und von der Hochdruckpumpe 6 wird Kraftstoff in den Hochdruckspeicher 8 gefördert und überschüssiger Kraftstoff unter Hochdruck wird durch die Hochdruckkraftstoffverbindungsleitung 35 dem Hochdruck-Rail 16 zugeführt. In einem weiteren Betriebszustand, in welchem der Ist-Druck in dem Hochdruck-Rail 16 größer ist als der Druck in dem Hochdruckspeicher 8 wird von der Hochdruckpumpe 6 mit mehreren Pumpeneinheiten, die jeweils einen Kolben 27 mit jeweils einem Arbeitsraum 28 umfassen, von einem Teil der Pumpeneinheiten Kraftstoff dem Hochdruckspeicher 8 zugeführt und von einem anderen Teil der Pumpeneinheiten Kraftstoff dem Hochdruck-Rail 16 zugeführt. Dadurch kann von der Hochdruckpumpe 6 der Kraftstoff in seinem Druckniveau auf unterschiedliche Druckniveaus erhöht werden. Bei einem ausschließlichen Betrieb des Kraftfahrzeuges mit hydraulischer Energie ist der Verbrennungsmotor 18 abgeschaltet und das Ventil 38 geöffnet, so dass der Kraftstoff unter Hochdruck von 4000 bar aus dem Hochdruckspeicher 8 durch den Hochdruckmotor 4 strömt zu dem Kraftstofftank 10 und dadurch von dem Hochdruckmotor 4 das Kraftfahrzeug mittels der Antriebsräder 25 angetrieben wird. In einem weiteren Betriebszustand, bei welchem der Ist-Druck und der Soll-Druck in dem Hochdruck-Rail 16 kleiner ist als in dem Hochdruckspeicher 8, wird Kraftstoff von dem Hochdruckspeicher 8 mittels des geöffneten Ventiles 37 dem Hochdruck-Rail 16 zugeführt und gleichzeitig durch das geöffnete Ventil 38 Kraftstoff dem Hochdruckmotor 4 zugeführt, so dass dadurch das Kraftfahrzeug auch mit hydraulischer Energie aus dem Hochdruckspeicher 8 angetrieben ist. In einem weiteren Betriebszustand, bei welchem der Ist-Druck in dem Hochdruck-Rail 16 größer ist als in dem Hochdruckspeicher 8 wird von einem Teil der Pumpeinheiten der Hochdruckpumpe 6 Kraftstoff durch die Hochdruckkraftstoffleitung 33 bei einem geöffneten Ventil 36 dem Hochdruck-Rail 16 zugeführt und ein anderer Teil der Pumpeinheiten der hydraulischen Maschine 3, 5 arbeitet als Hochdruckmotor 4 in dem der Kraftstoff von dem Hochdruckspeicher 8 durch den Hochdruckmotor 4 dem Kraftstofftank 10 zugeleitet wird.
In 2 ist stark vereinfacht die Hochdruckpumpe 6, der Hochdruckmotor 4 und die Injektorhochdruckpumpe 15 dargestellt. Die in 2 dargestellte hydraulische Maschine weist insgesamt fünf Pumpeinheiten auf, die jeweils einen Kolben 27 und einen Arbeitsraum 28 umfassen. Die in 2 links dargestellten vier Pumpeinheiten dienen zur getrennten Zuführung von Kraftstoff unter Hochdruck zu jeweils vier Injektoren 17, d. h. jeder Pumpeinheit ist je ein Injektor 17 des Verbrennungsmotors 18 zugeordnet. Ein Hochdruckeinspritzsystem 19 mit der in 2 dargestellten hydraulischen Maschine weist somit kein Hochdruck-Rail 16 auf, sondern von den vier getrennten Pumpeinheiten der Injektorhochdruckpumpe 15 wird somit jeweils einem Injektor 17 direkt der Kraftstoff zugeführt. Lediglich die in 2 ganz rechts dargestellte fünfte Pumpeneinheit wird sowohl als Hochdruckmotor 4 als auch als Hochdruckpumpe 6 eingesetzt. Die vier Pumpeneinheiten der in 2 dargestellten hydraulischen Maschine sind von einem gemeinsamen Gehäuse 29 umschlossen, so dass die Hochdruckpumpe 6, der Hochdruckmotor 4 und die Injektorhochdruckpumpe 15 eine gemeinsamen Baueinheit bilden. In 3 ist eine Injektorhochdruckpumpe 15 dargestellt mit einem separaten Gehäuse 29 und eine Hochdruckpumpe 6 sowie ein Hochdruckmotor 4, wobei der Hochdruckmotor 4 und die Hochdruckpumpe 6 ein gemeinsames Gehäuse 29 aufweisen, d. h. eine gemeinsame Baueinheit bilden. Die Hochdruckpumpe 6 und der Hochdruckmotor 4 sowie die Injektorhochdruckpumpe 15 bilden zwei getrennte Baueinheiten.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen hydraulischen Hybridsystem 1 und dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotorsystemes 2 wesentliche Vorteile verbunden. Als Hydraulikflüssigkeit des hydraulischen Hybridsystemes 1 wird der Kraftstoff des Verbrennungsmotors 18, nämlich Diesel, eingesetzt. Darüber hinaus wird der Kraftstoff in dem Hochdruckspeicher 8 unter einem großen Druck im Bereich zwischen 3000 bar bis 4000 bar vorgehalten, so dass dadurch von dem Hochdruckspeicher 8 eine große Energiemenge pro Bauvolumen und pro Masseneinheit gespeichert werden kann. Ein zusätzlicher Niederdruckspeicher 9 ist nicht erforderlich, da dieser von dem ohnehin vorhandenen Kraftstofftank 10 gebildet ist. Die Hochdruckpumpe 6, der Hochdruckmotor 4 als auch die Injektorhochdruckpumpe 15 bilden eine Baueinheit, so dass keine zusätzlichen Baueinheiten getrennt jeweils für den Hochdruckmotor 4, die Hochdruckpumpe 6 und die Injektorhochdruckpumpe 15 erforderlich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/069857 A1 [0004]

Claims

Hydraulisches Hybridsystem (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (18), umfassend – einen hydraulischen Motor (3) als hydraulische Maschine (3) zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie, – eine hydraulische Pumpe (5) als hydraulische Maschine (5) zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie, indem von der hydraulischen Pumpe (5) eine Hydraulikflüssigkeit förderbar ist, – einen Druckspeicher (7) zur Speicherung von hydraulischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Pumpe (5) als eine Hochdruckpumpe (6) und der hydraulische Motor (3) als ein Hochdruckmotor (4) ausgebildet ist, so dass in dem Druckspeicher (7) hydraulische Energie unter Hochdruck speicherbar und mit dem hydraulischen Motor (3) als mechanische Energie nutzbar ist.
Hydraulisches Hybridsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe (6) dahingehend ausgebildet ist, dass von der Hochdruckpumpe (6) der Druck der Hydraulikflüssigkeit auf einem Druck von wenigstens 200 bar, 500 bar, 1000 bar oder 2000 bar erhöhbar ist zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie und/oder der Hochdruckmotor (4) dahingehend ausgebildet ist, dass Hydraulikflüssigkeit mit einem Druck von wenigstens 200 bar, 500 bar, 1000 bar oder 2000 bar verarbeitbar ist zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanischer Energie.
Hydraulisches Hybridsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe (6) und der Hochdruckmotor (4) von der identischen hydraulischen Maschine (4, 6) gebildet sind, insbesondere ein bewegliches Arbeitsorgan (26), z. B. ein Kolben (27), ein identische Arbeitsorgan (26) an der Hochdruckpumpe (6) und dem Hochdruckmotor (4) sind.
Hydraulisches Hybridsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Hydraulikflüssigkeit zur Speicherung von hydraulischer Energie Kraftstoff, insbesondere Diesel, des Verbrennungsmotors (18) eingesetzt ist, insbesondere ausschließlich Kraftstoff als Hydraulikflüssigkeit eingesetzt ist.
Hydraulisches Hybridsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (7) einen Hochdruckspeicher (8) und einen Niederdruckspeicher (9) umfasst und der Niederdruckspeicher (9) von einem Kraftstofftank (10) des Verbrennungsmotors (18) gebildet ist.
Hydraulisches Hybridsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Rekuperationsbetrieb von der Hochdruckpumpe (6) kinetische Energie des Kraftfahrzeuges in mechanische Energie umwandelbar ist, da die Hochdruckpumpe (6) mechanisch mit einem Antriebsrad (25) des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
Hydraulisches Hybridsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe (6) auch als Injektorhochdruckpumpe (15) eines Hochdruckeinspritzsystems (19) eingesetzt ist und/oder die Hochdruckpumpe (6) zum Fördern von Kraftstoff als Hydraulikflüssigkeit auch als Injektorhochdruckpumpe (15) als identische Baueinheit (6, 15) zum Fördern von Kraftstoff zu einem Injektor (17) des Verbrennungsmotors (18) eingesetzt ist, insbesondere ein bewegliches Arbeitsorgan (26), z. B. ein Kolben (27), ein identische Arbeitsorgan (26) an der Hochdruckpumpe (6) und der Injektorhochdruckpumpe (15) sind. oder die Hochdruckpumpe (6) nur zum Fördern von Hydraulikflüssigkeit zu dem Druckspeicher (7) dient und eine Injektorhochdruckpumpe (15) als gesonderte Baueinheit (15) in Ergänzung zu der Hochdruckpumpe (6) nur zum Fördern von Kraftstoff zu Injektoren (17) des Verbrennungsmotors (18) dient oder die Hochdruckpumpe (6) zum Fördern von Hydraulikflüssigkeit zu dem Druckspeicher (7) und die Injektorhochdruckpumpe (15) zum Fördern von Kraftstoff zu Injektoren (17) des Verbrennungsmotors als eine gemeinsame Baueinheit (6, 15), insbesondere mit einem gemeinsamen Gehäuse (29), ausgebildet sind jedoch mit getrennten Arbeitsorganen (26), z. B. Kolben (27), jeweils nur zum Fördern von Hydraulikflüssigkeit zu dem Druckspeicher (7) und nur zum Fördern von Kraftstoff zu Injektoren (17) des Verbrennungsmotors.
Verbrennungsmotorsystem (2) für ein Kraftfahrzeug, umfassend – ein Hochdruckeinspritzsystem (19) mit einer Injektorhochdruckpumpe (15), vorzugsweise einem Hochdruck-Rail (16), vorzugsweise einer Vorförderpumpe (11) zum Fördern eines Kraftstoffes von einem Kraftstofftank (10) zu der Injektorhochdruckpumpe (15), – vorzugsweise einen Antriebsstrang (20) zum Antreiben von Antriebsrädern (25) des Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor (18) und/oder einem hydraulischen Motor (4), – ein hydraulisches Hybridsystem (1) mit einem hydraulischen Motor (3) zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie, einer hydraulische Pumpe (5) zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie, einem Druckspeicher (7) zur Speicherung von hydraulischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische Hybridsystem (1) gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind.
Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Hybridsystems (1) und/oder eines Verbrennungsmotorsystems (2), insbesondere eines hydraulischen Hybridsystems (1) gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 7 und/oder eines Verbrennungsmotorsystems (2) gemäß Anspruch 8, mit den Schritten: – Fördern von Hydraulikflüssigkeit von einem Niederdruckspeicher (9) zu einem Hochdruckspeicher (8) mit einer hydraulischen Pumpe (5), so dass von der hydraulischen Pumpe (5) mechanische Energie in hydraulische Energie umwandelt wird, – Leiten der Hydraulikflüssigkeit von dem Hochdruckspeicher (8) zu dem Niederspeicher (9) und durch einen hydraulischen Motor (3), so dass in dem hydraulischen Motor (3) hydraulische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird und die mechanische Energie zum Antrieb des Kraftfahrzeuges eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikflüssigkeit unter einem Hochdruck von wenigstens 200 bar, 500 bar, 1000 bar oder 2000 bar von der hydraulischen Pumpe (5) in den Hochdruckspeicher (8) eingeleitet wird und die Hydraulikflüssigkeit unter dem Hochdruck von wenigstens 200 bar, 500 bar, 1000 bar oder 2000 bar von dem Hochdruckspeicher (8) in den hydraulischen Motor (4) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Hydraulikflüssigkeit, insbesondere ausschließlich, Kraftstoff, vorzugsweise Diesel, des Verbrennungsmotors (18) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Niederdruckspeicher (9) der Kraftstofftank (10) des Verbrennungsmotors (18) eingesetzt wird und/oder in dem hydraulischen Motor (3) der Druck der Hydraulikflüssigkeit um wenigstens 100 bar, 300 bar, 600 bar, 1000 bar oder 2000 bar reduziert wird und/oder in der hydraulischen Pumpe (5) der Druck der Hydraulikflüssigkeit um wenigstens 100 bar, 300 bar, 600 bar, 1000 bar oder 2000 bar erhöht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in dem Niederdruckspeicher (9), insbesondere dem Kraftstofftank (10), weniger als 5 bar, 3 bar oder 2 bar beträgt, insbesondere der Druck in dem Niederdruckspeicher (9) als Kraftstofftank (10) im Wesentlichen 1 bar beträgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikflüssigkeit, insbesondere der Kraftstoff, von dem identischen hydraulischen Motor (3) und der identischen hydraulischen Pumpe (5) gefördert wird, insbesondere das sich bewegende Arbeitsorgan (26), z. B. ein Kolben (27), des hydraulischen Motors (3) und der hydraulischen Pumpe (5) identisch sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulischen Pumpe (5) in einem Rekuperationsbetrieb von einem Antriebsrad (25) des Kraftfahrzeuges angetrieben wird, so dass kinetische Energie des Kraftfahrzeuges in hydraulische Energie in dem Druckspeicher (7) umgewandelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftstoff von dem Hochdruckspeicher (8) in das Hochdruck-Rail (16) geleitet wird und umgekehrt.