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Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydraulischen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein hydraulisches Hybridsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
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Stand der Technik
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In Kraftfahrzeugen werden hydraulische Hybridsysteme eingesetzt, um mittels eines hydraulischen Motors hydraulische Energie in mechanische Energie umwandeln zu können und mittels einer hydraulischen Pumpe mechanische Energie in hydraulische Energie umwandeln zu können. Die mechanische Energie, beispielsweise von einem Verbrennungsmotor oder als kinetische Energie in einem Rekuperationsbetrieb, kann dabei von der hydraulischen Pumpe in hydraulische Energie umgewandelt werden, indem der Druck eines Hydraulikfluides, insbesondere eine Hydraulikflüssigkeit, durch die hydraulische Pumpe erhöht wird. Das Hydraulikfluid mit dem erhöhten Druck kann dabei in einem Energiespeicher gespeichert werden und zu einem späteren Zeitpunkt kann mittels des Hydraulikfluides in dem Energiespeicher von dem hydraulischen Motor die hydraulische Energie in dem Energiespeicher in mechanische Energie zum Antrieb des Kraftfahrzeuges eingesetzt werden. Die Hydraulikflüssigkeit dient nur zur Druckübertragung zu dem und in dem Energiespeicher.
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Als Energiespeicher zur Speicherung von hydraulischer Energie, d. h. eines Hydraulikfluides unter einem erhöhten Druck, sind beispielsweise Gasfederspeicher bekannt. Innerhalb eines Gehäuses ist ein Kolben angeordnet, und ein Gas wird von dem Hydraulikfluid, insbesondere der Hydraulikflüssigkeit bewegt, so dass dadurch der Druck in dem Gas erhöht wird und dadurch hydraulische Energie in dem Energiespeicher gespeichert werden kann.
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Die
DE 10 2006 004 120 A1 zeigt einen Hydrospeicher, insbesondere Blasenspeicher, zur Aufnahme mindestens eines Fluidmediums mit einem Druckbehälter und einem ersten Kunststoffmantel und einem dem ersten Kunststoffmantel zumindest teilweise umfassenden zweiten Kunststoffmantel, wobei der erste Kunststoffmantel zumindest an seinem einen Ende ein Kragenteil aufweist, das eine Öffnung für ein Ventil für eine Ansteuerung der Medienzu- und -abfuhr umfasst und wobei das Kragenteil und der zweite Kunststoffmantel sich an einem dazwischen liegenden Außenstützring abstützen, der sich in Richtung einer Spaltöffnung zwischen den genannten Mänteln keilartig verjüngt.
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Auch aus der
DE 102 30 743 A1 ist ein Hydrospeicher als Blasenspeicher mit einem Gaseinlasskörper bekannt, der mit Teilen des Speichergehäuses verbindbar ist und der mindestens eine Anlagefläche für ein elastisch nachgiebiges Trennelement aufweist, das innerhalb des Speichergehäuses angeordnet zwei Räume voneinander trennt.
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Die
DE 10 2013 206 397 A1 zeigt einen Energiespeicher mit einer Ein- und Auslassöffnung und einem elastischen Speicherteil, so dass mittels eines Ein- und Ausleiten des Hydraulikfluides in und aus dem Energiespeicher das elastische Speicherteil elastisch verformbar ist und das Speicherteil einen im Volumen variablen Arbeitsraum einschließt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäßer mechanischer Energiespeicher zur Speicherung von Energie mittels einer elastischen Verformung wenigstens eines elastisch verformbaren Speicherteils aus einem elastischen Feststoffmaterial, umfassend das wenigstens eine elastisch verformbare Speicherteil, ein Mittel zum Dehnen und negativen Dehnen des wenigstens einen Speicherteils, so dass das elastische Feststoffmaterial dehnbar ist und das elastische Feststoffmaterial negativ dehnbar ist, wobei das Mittel eine rotierende Welle umfasst und das wenigstens eine Speicherteil an einem ersten Ende an der rotierenden Welle und an einem zweiten Ende an einem Befestigungsteil befestigt ist, so dass bei einer Rotationsbewegung der Welle in einer ersten Drehrichtung das wenigstens eine Speicherteil dehnbar ist und bei einer Rotationsbewegung der Welle in einer zweiten, der ersten Drehrichtung entgegensetzten Drehrichtung das wenigstens eine Speicherteil negativ dehnbar ist. Mit dem mechanischen Energiespeicher kann somit durch das Dehnen des elastischen Feststoffmateriales ohne einem Hydraulikfluid, insbesondere einem Hydrauliköl, Energie gespeichert werden. Der mechanische Energiespeicher kann dabei beispielsweise in einem mechanischen Hybridsystem eingesetzt werden oder in einem Kraftfahrzeug zur Speicherung von Energie eines Verbrennungsmotors oder von kinetischer Energie in einem Rekuperationsbetrieb, um bei einem Neustart des Verbrennungsmotors diesen, d. h. den Verbrennungsmotor, mittels dem in dem mechanischen Energiespeicher gespeicherten Energie starten zu können, so dass dadurch vorzugsweise beispielsweise in einem Start-Stopp-Starter kein elektrischer Starter erforderlich ist. Dadurch kann Energie in dem Kraftfahrzeug mit dem mechanischen Energiespeicher eingespart werden. Eine Dehnung ist insbesondere eine Vergrößerung der Ausdehnung des wenigstens einen Speicherteils und eine negative Dehnung ist eine Verkleinerung dieser Ausdehnung des wenigstens einen Speicherteils.
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Insbesondere ist das wenigstens eine Speicherteil als ein Band aus dem elastischen Feststoffmaterial ausgebildet.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform ist das wenigstens eine Speicherteil als eine Schnur oder ein Seil oder eine Platte ausgebildet.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist wenigstens eine Speicherteil, insbesondere das Band, spiralförmig um die Welle angeordnet.
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In einer ergänzenden Ausführungsform ist das Befestigungsteil feststehend. An dem Befestigungsteil, welches feststehend ist, ist das zweite Ende des wenigstens einen Speicherteiles befestigt.
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Vorzugsweise umfasst der Energiespeicher ein Gehäuse und vorzugsweise ist das Gehäuse koaxial und/oder konzentrisch zu einer Rotationsachse der Welle ausgebildet.
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In einer Variante beträgt das Volumen des elastischen Feststoffmateriales des wenigstens einen Speicherteils wenigstens 10%, 20%, 30%, 50% oder 70% des Volumens des Energiespeichers und/oder die Dicke einer Wandung des wenigstens einen Speicherteils ist größer als 0,1 cm, 0,5 cm, 1 cm, 2 cm oder 5 cm. Aufgrund des hohen Anteils des elastischen Feststoffmateriales am Volumen bzw. Gesamtvolumens des Energiespeichers kann somit bei einem kleinen Volumen des Energiespeichers eine große Energiemenge in dem Energiespeicher gespeichert werden.
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Zweckmäßig schließt das Gehäuse einen Innenraum ein und innerhalb des Innenraumes ist das wenigstens eine Speicherteil angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Befestigungsteil von dem Gehäuse gebildet.
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Insbesondere ist der Innenraum von dem Gehäuse fluiddicht abgeschlossen und innerhalb des Innenraumes ist ein Schmierstoff, z. B. Wasser oder Öl, angeordnet, um die Reibung zwischen dem wenigstens einen Speicherteil zu reduzieren. Mittels des Schmierstoffes kann die Reibung zwischen aufeinanderliegenden Speicherteilen oder einzelnen Abschnitten von einem Speicherteil reduziert werden, so dass dadurch der Wirkungsgrad des Energiespeichers erhöht wird.
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In einer ergänzenden Variante sind an dem wenigstens einen Speicherteil außenseitig Schmierstoffvertiefungen ausgebildet zur gleichmäßigen Verteilung des Schmierstoffes.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform sind die Schmierstoffvertiefungen, insbesondere Schmierstoffrillen, im Wesentlichen in der Dehnungsrichtung des wenigstens einen Speicherteils ausgebildet und/oder sind im Querschnitt V-förmig oder rechteckförmig ausgebildet. Dabei bedeutet die im Wesentlichen gleiche Ausrichtung der Schmierstoffvertiefungen, insbesondere einer Längsachse der Schmierstoffvertiefungen, dass die Schmierstoffvertiefungen mit einer Abweichung von wenige als 30°, 20°, 10° oder 5° zu der Dehnungsrichtung ausgerichtet sind.
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In einer weiteren Variante ist das elastische Feststoffmaterial wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, Kunststoff, vorzugsweise Polyurethan, und/oder Kautschuk, insbesondere Nitrilkautschuk oder hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk oder Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk oder Fluorkarbon-Kautschuk oder Silikonkautschuk oder Naturkautschuk.
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Erfindungsgemäßes mechanisches Hybridsystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Antriebsstrang zur Kraftübertragung von einem Verbrennungsmotor zu wenigstens einem Antriebsrad, einen mechanischen Energiespeicher zur Speicherung von Energie, wobei der Energiespeicher als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebener Energiespeicher ausgebildet ist.
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In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der Energiespeicher mit einem mechanischen Getriebe mit dem Verbrennungsmotor und/oder dem wenigstens einen Antriebsrad gekoppelt.
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Erfindungsgemäßer hydraulischer Energiespeicher zur Speicherung von Energie mittels einer elastischen Verformung wenigstens eines elastisch verformbaren Speicherteils aus einem elastischen Feststoffmaterial, umfassend wenigstens eine Ein- und Auslassöffnung zum Ein- und Ausleiten eines Hydraulikfluides, insbesondere einer Hydraulikflüssigkeit, das wenigstens eine elastisch verformbare Speicherteil, so dass mittels eines Ein- und Ausleiten des Hydraulikfluides in und aus einem ersten Arbeitsraum das elastische Speicherteil elastisch verformbar ist, das wenigstens eine Speicherteil, das wenigstens einen im Volumen variablen ersten Arbeitsraum begrenzt, und das Hydraulikfluid in dem wenigstens einen ersten Arbeitsraum derart angeordnet ist, dass mittels eines Einleitens des Hydraulikfluides in den wenigstens ersten Arbeitsraum bei einer Vergrößerung des Volumens des wenigstens einen ersten Arbeitsraumes das elastische Feststoffmaterial dehnbar ist und mittels eines Ausleiten des Hydraulikfluides aus dem wenigstens einen ersten Arbeitsraum bei einer Verkleinerung des Volumens des wenigstens einen ersten Arbeitsraumes das elastische Feststoffmaterial negativ dehnbar ist, wobei der Energiespeicher einen zweiten Arbeitsraum umfasst und der zweite Arbeitsraum von dem wenigstens einen Speicherteil begrenzt ist und das Hydraulikfluid in dem zweiten Arbeitsraum angeordnet ist. Eine Dehnung ist insbesondere eine Vergrößerung der Ausdehnung und/oder des Volumens des wenigstens einen Speicherteils und eine negative Dehnung ist eine Verkleinerung der Ausdehnung und/oder des Volumens des wenigstens einen Speicherteils.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der wenigstens eine erste Arbeitsraum wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, innerhalb des zweiten Arbeitsraumes angeordnet und/oder der wenigstens eine erste Arbeitsraum und zweite Arbeitsraum sind mit dem wenigstens einen Speicherteil fluiddicht voneinander getrennt.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das wenigstens eine Speicherteil wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, innerhalb des zweiten Arbeitsraumes angeordnet.
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Zweckmäßig ist der wenigstens eine erste Arbeitsraum ausschließlich von dem wenigstens einen Speicherteil begrenzt.
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In einer weiteren Variante ist der wenigstens eine erste Arbeitsraum und/oder das wenigstens eine Speicherteil mäanderförmig oder schlauchförmig oder ballonförmig ausgebildet.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform stehen wenigstens zwei Ein- und Auslassöffnungen je für den wenigstens einen ersten Arbeitsraum und je den zweiten Arbeitsraum in fluidleitender Verbindung zu dem wenigstens einen ersten Arbeitsraum und zweiten Arbeitsraum, so dass durch die Ein- und Auslassöffnungen, vorzugsweise durch wenigstens eine Hydraulikleitung, das Hydraulikfluid von dem wenigstens einen ersten Arbeitsraum in den zweiten Arbeitsraum und umgekehrt leitbar ist.
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In einer Variante sind der wenigstens eine erste Arbeitsraum und der zweite Arbeitsraum mit wenigstens einer Hydraulikleitung hydraulisch leitend miteinander verbunden und vorzugsweise ist in der wenigstens einen Hydraulikleitung ein hydraulischer Motor und/oder eine hydraulische Pumpe angeordnet ist und/oder der Energiespeicher mittels einer Erhöhung der Druckdifferenz zwischen dem wenigstens einen ersten Arbeitsraum und dem zweiten Arbeitsraum mittels einer Erhöhung der Spannenergie des wenigstens einen elastischen Speicherteils ladbar ist und der Energiespeicher mittels einer Verkleinerung der Druckdifferenz zwischen dem wenigstens einen ersten Arbeitsraum und dem zweiten Arbeitsraum mittels einer Verkleinerung der Spannenergie des wenigstens einen elastischen Speicherteils entladbar ist. Mit der hydraulischen Pumpe kann der Energiespeicher aufgeladen werden und mit dem hydraulischen Motor wird beim Entladen des Energiespeichers hydraulische Energie in mechanische Energie umgewandelt.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens erste Arbeitsraum ein Hochdruckraum und der zweite Arbeitsraum ein Niederdruckraum, so dass der Druck des Hydraulikfluides in dem wenigstens ersten Arbeitsraum größer ist als in dem zweiten Arbeitsraum und mittels eines Einleitens des Hydraulikfluides in den wenigstens ersten Arbeitsraum und eines Ausleitens des Hydraulikfluides aus dem zweiten Arbeitsraum bei einer Vergrößerung des Volumens des wenigstens einen ersten Arbeitsraumes und einer Verkleinerung des Volumens des zweiten Arbeitsraumes das elastische Feststoffmaterial dehnbar ist zum Laden des Energiespeichers mit einer Dehnung des elastischen Feststoffmaterials und mittels eines Ausleiten des Hydraulikfluides aus dem wenigstens einen ersten Arbeitsraum und eines Einleitens des Hydraulikfluides in den zweiten Arbeitsraum bei einer Verkleinerung des Volumens des wenigstens einen ersten Arbeitsraumes und einer Vergrößerung des Volumens des zweiten Arbeitsraumes das elastische Feststoffmaterial negativ dehnbar ist zum Entladen des Energiespeichers mit einer negativen Dehnung des elastischen Feststoffmaterials. Die Wandung des Speicherteils wird somit beim Laden des Energiespeichers gedehnt und beim Entladen des Energiespeichers negativ gedehnt, so dass die Energie in dem Energiespeicher als Spannenergie durch Dehnen gespeichert wird bzw. ist und vorzugsweise wird beim Laden durch eine Erhöhung der Druckdifferenz zwischen dem wenigstens einen ersten Arbeitsraum und dem zweiten Arbeitsraum das Volumen des elastischen Feststoffmaterials verkleinert und umgekehrt beim Entladen vergrößert.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens erste Arbeitsraum ein Niederdruckraum und der zweite Arbeitsraum ein Hochdruckraum, so dass der Druck des Hydraulikfluides in dem wenigstens ersten Arbeitsraum kleiner ist als in dem zweiten Arbeitsraum und mittels eines Einleitens des Hydraulikfluides in den wenigstens ersten Arbeitsraum und eines Ausleitens des Hydraulikfluides aus dem zweiten Arbeitsraum bei einer Vergrößerung des Volumens des wenigstens einen ersten Arbeitsraumes und einer Verkleinerung des Volumens des zweiten Arbeitsraumes das elastische Feststoffmaterial dehnbar ist zum Entladen des Energiespeichers mit einer Dehnung des elastischen Feststoffmaterials und mittels eines Ausleiten des Hydraulikfluides aus dem wenigstens einen ersten Arbeitsraum und eines Einleitens des Hydraulikfluides in den zweiten Arbeitsraum bei einer Verkleinerung des Volumens des wenigstens einen ersten Arbeitsraumes und einer Vergrößerung des Volumens des zweiten Arbeitsraumes das elastische Feststoffmaterial negativ dehnbar ist zum Laden des Energiespeichers mit einer negativen Dehnung des elastischen Feststoffmaterials. Die Wandung des Speicherteils wird somit beim Laden des Energiespeichers negativ gedehnt und/oder das Volumen der Wandung des Speicherteils verkleinert und beim Entladen des Energiespeichers wird die Wandung gedehnt und/oder das Volumen der Wandung des Speicherteils erhöht, so dass die Energie in dem Energiespeicher als Spannenergie gemäß eines Federspeichers durch negatives Dehnen gespeichert wird bzw. ist. Die Verkleinerung des Volumens der Wandung des wenigstens einen Speicherteils erhöht die Spannenergie und umgekehrt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das wenigstens eine Speicherteil an dem Gehäuse befestigt, insbesondere an einer Ein- und Auslassöffnung für den wenigstens einen ersten Arbeitsraum. Das Speicherteil ist damit innerhalb des Innenraumes befestigt und positioniert.
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In einer zusätzlichen Variante ist der wenigstens eine erste Arbeitsraum und zweite Arbeitsraum von wenigstens einem, insbesondere identischen, Speicherteil begrenzt.
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In einer weiteren Variante schließt das Gehäuse einen Innenraum fluiddicht ein und innerhalb des Innenraumes ist das wenigstens eine Speicherteil angeordnet und der zweite Arbeitsraum ist von dem Gehäuse begrenzt.
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Zweckmäßig beträgt das Volumen des elastischen Feststoffmateriales des wenigstens einen Speicherteils wenigstens 10%, 20%, 30%, 50% oder 70% des Volumens des Energiespeichers und/oder die Dicke einer Wandung des wenigstens einen Speicherteils ist größer als 0,1 cm, 0,5 cm, 1 cm, 2 cm oder 5 cm. Je größer der Anteil des Volumens des elastischen Feststoffmateriales am Volumen bzw. Gesamtvolumen des Energiespeichers ist, desto größer ist die von dem Energiespeicher speicherbare Energie bezogen auf das Volumen des Energiespeichers, da die Energie durch eine Dehnung oder negative Dehnung des elastischen Feststoffmateriales in den Energiespeicher gespeichert wird. Zweckmäßig beträgt dabei der Volumenanteil des elastischen Feststoffmateriales wenigstens 10 % oder 40 % oder 70 % des Volumens des Energiespeichers oder weiterer in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Parameter bei einem identischen Druck in dem ersten und/oder zweiten Arbeitsraum, d. h. bei einem hydraulischen Energiespeicher in dem keine Energie gespeichert ist. Zweckmäßig ist die Dicke der Wandung des wenigstens einen Speicherteils kleiner als 50 cm, 30cm oder 20 cm.
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In einer ergänzenden Variante ist das elastische Feststoffmaterial wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, Kunststoff, vorzugsweise Polyurethan, und/oder Kautschuk, insbesondere Nitrilkautschuk oder hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk oder Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk oder Fluorkarbon-Kautschuk oder Silikonkautschuk oder Naturkautschuk.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Energiespeicher ein Gehäuse.
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In einer weiteren Ausgestaltung besteht das Gehäuse wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, z. B. Stahl oder Aluminium, und/oder aus Kunststoff, insbesondere thermoplastischer Kunststoff, und/oder aus einem faserverstärken Verbundwerkstoff, insbesondere CFK oder GFK. Bei einer Ausbildung des Gehäuses aus Kunststoff oder Verbundwerkstoff weist das Gehäuse und damit auch der Energiespeicher eine geringe Masse auf.
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Erfindungsgemäßes hydraulisches Hybridsystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen hydraulischen Motor zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie, eine hydraulische Pumpe zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie, einen hydraulischen Energiespeicher zur Speicherung von hydraulischer Energie, wobei der hydraulische Energiespeicher als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebener hydraulischer Energiespeicher ausgebildet ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 einen Längsschnitt eines hydraulischen Energiespeichers in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 einen Längsschnitt des hydraulischen Energiespeichers in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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3 einen Längsschnitt des hydraulischen Energiespeichers in einem dritten Ausführungsbeispiel,
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4 ein p-V-Diagramm des hydraulischen Energiespeichers,
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5 eine stark vereinfachte Darstellung eines hydraulischen Hybridsystems,
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6 einen Querschnitt eines mechanischen Energiespeichers,
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7 einen Teillängsschnitt des Energiespeichers gemäß 5 mit zwei übereinander liegenden Abschnitten eines spiralförmigen Bandes als Speicherteil und
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8 eine stark vereinfachte Darstellung eines mechanischen Hybridsystems.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Ein in 1 bis 3 dargestellter hydraulische Energiespeicher 1 wird dazu verwendet, um in einem hydraulischen Hybridsystem 20 (5) in einem nicht dargestellten Kraftfahrzeug hydraulische Energie von einer hydraulischen Pumpe 24 zu speichern und anschließend zu einem späteren Zeitpunkt die gespeicherte hydraulische Energie in einem hydraulischen Motor 23 in mechanische Energie umzuwandeln und dadurch das nicht dargestellte Kraftfahrzeug anzutreiben.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des hydraulischen Energiespeichers 1 dargestellt. Ein Gehäuse 6 umschließt fluiddicht einen Innenraum 11 und innerhalb des Innenraumes 11 ist ein mäanderförmiges Speicherteil 2 mit einer Wandung 3 angeordnet. Das Speicherteil 2 unterteilt dabei den Innenraum 11 des hydraulischen Energiespeichers 1 in einen ersten Arbeitsraum 7 als einem Hochdruckraum und in einen zweiten Arbeitsraum 8 als einen Niederdruckraum. Der erste und zweite Arbeitsraum 7, 8 sind dabei mit dem Speicherteil 2 fluiddicht voneinander abgetrennt. In den ersten Arbeitsraum 7 mündet durch eine Öffnung 10 an dem Gehäuse 6 als eine Ein- und Auslassöffnung 4, 5 zum Ein- und Ausleiten von Hydraulikflüssigkeit, insbesondere einem Hydrauliköl als einem Hydraulikfluid. Hierzu ist an dem mäanderförmigen Speicherteil 2 ein kanalförmige Fortsatz ausgebildet, welcher zu der Ein- und Auslassöffnung 4, 5 mündet. Ansonsten ist das Speicherteil 2 vollständig innerhalb des Innenraumes 11 angeordnet und lediglich durch nicht dargestellte zusätzliche Befestigungselemente, z. B. elastische Stangen, innerhalb des Innenraumes 11 an dem Gehäuse 6 fixiert. In analoger Weise mündet auch in dem zweiten Arbeitsraum 8 eine Ein- und Auslassöffnung 4, 5 als Öffnung 10 des Gehäuses 6 zum Ein- und Ausleiten von Hydrauliköl in und aus dem zweiten Arbeitsraum 8. Das Gehäuse 6 besteht aus Metall oder aus glasfaserverstärktem Kunststoff und begrenzt, neben dem Speicherteil 2, auch den zweiten Arbeitsraum 8. Der erste Arbeitsraum 7 ist ausschließlich von dem Speicherteil 2 begrenzt. Die Ein- und Auslassöffnungen 4, 5 jeweils an dem ersten und zweiten Arbeitsraum 7, 8 sind mit einer Hydraulikleitung 26 fluidleitend miteinander verbunden. In der Hydraulikleitung 26 ist ein hydraulischer Motor 23 und eine hydraulische Pumpe 24 eingebaut. Bei einem Ausleiten von Hydrauliköl aus dem zweiten Arbeitsraum 8 und einem Einleiten von Hydrauliköl in den ersten Arbeitsraum 7 durch die nicht dargestellte Hydraulikleitung 26 mit der hydraulischen Pumpe 24 wird der Druck und das Volumen des Hydrauliköles in dem ersten Arbeitsraum 7 erhöht und in dem zweiten Arbeitsraum 8 erniedrigt. Dies führt zu einer Verformung der Wandung 3 des Speicherteils 2 und einer hieraus resultierenden Dehnung der Wandung 3. Die hydraulische Energie ist somit in dem hydraulischen Energiespeicher 1 durch eine elastische Verformung als Dehnung des Speicherteiles 2 gespeichert. Zum Entladen des Energiespeichers 1 wird mittels eines nicht dargestellten Ventiles Hydrauliköl von dem ersten Arbeitsraum 7 in den zweiten Arbeitsraum 8 geleitet durch die Hydraulikleitung 26 und ferner durch einen hydraulischen Motor 23, so dass dadurch der hydraulische Motor 23 angetrieben wird. Dabei tritt eine elastische Rückverformung als negative Dehnung der Wandung 3 auf, so dass diese eine geringere Dehnung aufweist und somit beim Entladen des hydraulischen Energiespeichers 1 die Druckdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Arbeitsraum 7, 8 abnimmt. Beim Entladen des Energiespeichers 1 wird somit der Druck und das Volumen des Hydrauliköles in dem ersten Arbeitsraum 7 reduziert und in dem zweiten Arbeitsraum 8 erhöht.
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Die Wandung 2 weist eine große Dicke auf, z. B. im Bereich von 0,5 cm, 1 cm oder 3 cm. In dem hydraulischen Energiespeicher 1 ist somit der Volumenanteil des elastischen Feststoffmaterials der Wandung 3 groß, so dass dadurch in dem Energiespeicher 1 eine große Energiemenge pro Volumeneinheit des Energiespeichers 1 gespeichert werden kann, da der Volumenanteil des elastischen Feststoffmateriales der Wandung 3 bzw. des Speicherteils 2 an dem Energiespeicher 1 groß ist. Die Energiespeicherung in dem hydraulischen Energiespeicher 1 gemäß 1 als erstes Ausführungsbeispiel erfolgt durch die elastische Verformung und Dehnung Speicherteils 2 aus dem elastischen Feststoffmaterial.
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In 4 ein p-V-Diagramm des hydraulischen Energiespeichers 1 gemäß 1 dargestellt. An der Abszisse ist die Volumenänderung des ersten Arbeitsraumes 7 und an der Ordinate die Druckdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Arbeitsraum 7, 8 aufgetragen. Bei einem nicht geladenen Energiespeicher 1 ist der Druck in dem ersten und zweiten Arbeitsraum 7, 8 gleich groß. Beim Aufladen des Energiespeichers 1 wird der Druck und das Volumen des ersten Arbeitsraumes 7 erhöht. Dabei tritt in Abhängigkeit von dem von dem zweiten Arbeitsraum 8 in den ersten Arbeitsraum 7 geleiteten Volumens an Hydrauliköl bzw. der Veränderung des Volumens des ersten Arbeitsraumes 7 eine Druckdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Arbeitsraum 7, 8 auf. Während einer Anfangsphase der an der Abszisse aufgetragenen Volumenveränderung tritt eine im Wesentlichen lineare direkt proportionale Abhängigkeit zwischen der Volumenveränderung und der Druckdifferenz auf und anschließend bleibt bei einer weiteren Volumenvergrößerung die Druckdifferenz im Wesentlichen konstant. Wird der hydraulische Energiespeicher 1 nicht bis zu der Anfangsphase entladen weist der hydraulische Energiespeicher 1 in vorteilhafter Weise einen im Wesentlichen konstanten Druck auf und dadurch können ein hydraulischer Motor 23 und eine hydraulische Pumpe 24 in einem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden. Außerdem weist ein hydraulischer Motor 23 und eine hydraulische Pumpe 24 im Allgemeinen einen erforderlichen Mindestdifferenzdruck auf zum Betreiben und dieser kann damit in allen Betriebszuständen eingehalten werden.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des hydraulischen Energiespeichers 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 beschrieben. Das Speicherteil 2 ist schlauchförmig ausgebildet. Die Funktionsweise entspricht dem in 1 dargestellten Energiespeicher 1, d. h. mittels eines Ausleitens von Hydrauliköl aus dem zweiten Arbeitsraum 8 in den ersten Arbeitsraum 7 durch die Hydraulikleitung 26 mit der hydraulischen Pumpe 24 wird das Volumen und der Druck des Hydrauliköles in dem ersten Arbeitsraum 8 erhöht und das Volumen und der Druck des Hydrauliköles in dem zweiten Arbeitsraum 8 erniedrigt aufgrund einer entsprechenden Verformung und Dehnung des Speicherteils 2.
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In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des hydraulischen Energiespeichers 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 beschrieben. Das Speichereil 2 ist ballonförmig ausgebildet. Das ballonförmige Speicherteil 2 schließt den ersten Arbeitsraum 7 als Niederdruckspeicher ein und außerhalb des Speicherteils 2 sowie innerhalb des Innenraumes 11 ist der zweite Arbeitsraum 8 als Hochdruckspeicher vorhanden. Bei einem Laden des hydraulischen Energiespeichers 1 wird Hydrauliköl von dem ersten Arbeitsraum 7 durch die Hydraulikleitung 26 mit der hydraulischen Pumpe 24 in den zweiten Arbeitsraum 8 geleitet, so dass eine Vergrößerung des Volumens des zweiten Arbeitsraumes 8 und eine Verkleinerung des Volumens des ersten Arbeitsraumes 7 eintritt. Dadurch wird der Druck in dem zweiten Arbeitsraum 8 als Hochdruckraum größer als in dem ersten Arbeitsraum 7 als Niederdruckspeicher. Beim Laden des hydraulischen Energiespeichers 1 erfolgt damit eine negative Dehnung, d. h. eine Verkleinerung, des ballonförmigen Speicherteils 2, so dass die Energie in dem Energiespeicher 1 in dem dritten Ausführungsbeispiel mit einer Erhöhung der negativen Dehnung gespeichert wird und dies entspricht dem Funktionsprinzip eines Federspeichers. Das Volumen der elastischen Wandung 3 des Speicherteils 2 wird beim Laden aufgrund der Erhöhung der Druckdifferenz zwischen dem wenigstens einen ersten Arbeitsraum 7 und dem zweiten Arbeitsraum 8 verkleinert, so dass das die Wandung 3 die Funktion einer Feder hat und das Volumen der Wandung 3 der Länge der Feder entspricht. Vorzugsweise wird beim Laden des hydraulischen Energiespeichers 1 mehr Hydraulikflüssigkeit in den zweiten Arbeitsraum 8 eingeleitet als aus dem ersten Arbeitsraum 7 ausgeleitet wird, indem aus einem nicht dargestellten kleinen Zwischenspeicher beim Laden des Energiespeichers 1 zusätzliches Hydrauliköl in den zweiten Arbeitsraum 8 eingeleitet wird. Umgekehrt wird beim Entladen des hydraulischen Energiespeichers 1 Hydrauliköl von dem zweiten Arbeitsraum 8 mit dem höheren Druck in den ersten Arbeitsraum 7 mit dem kleineren Druck geleitet und dadurch von dem hydraulischen Motor 23 hydraulische Energie in mechanische Energie umgewandelt. Vorzugsweise wird beim Entladen des hydraulischen Energiespeichers 1 mehr Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten Arbeitsraum 8 ausgeleitet als in den ersten Arbeitsraum 7 eingeleitet wird, indem in den nicht dargestellten Zwischenspeicher beim Entladen des Energiespeichers 1 ein Teil des aus dem zweiten Arbeitsraum 8 ausgeleiteten Hydrauliköls in den Zwischenspeicher eingeleitet wird. Beim Entladen des hydraulischen Energiespeichers 1 erfolgt ein Dehnen des ballonförmigen Speicherteils 2, d. h. eine Vergrößerung des ballonförmigen Speicherteils 2 und außerdem wird das Volumen der elastischen Wandungen 3 erhöht.
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In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist der hydraulische Energiespeicher 1 drei schlauchförmige Speicherteile 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in 2 auf. Die drei schlauchförmigen Speicherteile 2 sind innerhalb nur eines Innenraumes 11 angeordnet, welcher von nur einem Gehäuse 6 eingeschlossen ist. Die drei ersten Arbeitsräume 7 innerhalb der Speicherteile 2 sind mit Hydraulikleitungen 26 ohne hydraulischen Motor 23 oder Pumpe 24 fluidleitend miteinander verbunden, so dass in den drei ersten Arbeitsräumen 7 ständig der gleiche Druck vorhanden ist. In analoger Weise zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die drei ersten Arbeitsräume 7 durch die Hydraulikleitung 26 mit dem hydraulischen Motor 23 und dem hydraulischen Motor 24 hydraulisch mit dem zweiten Arbeitsraum 8 verbunden mit der oben beschriebenen Funktionsweise.
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In 5 ist ein hydraulisches Hybridsystem 20 dargestellt. Das hydraulische Hybridsystem 20 umfasst einen Verbrennungsmotor 21 und zwei Wellen 22. Mit dem Verbrennungsmotor 21 und der Welle 22 wird die hydraulische Pumpe 24 angetrieben und dadurch Hydraulikflüssigkeit von der hydraulischen Pumpe 24 zu dem hydraulischen Motor 23 gefördert. Der hydraulische Motor 23 und die hydraulische Pumpe 24 sind dabei jeweils als Schrägscheibenmaschinen 25 ausgebildet. Dadurch kann mittels der Hydraulikleitungen 26, welche den hydraulischen Motor 23 mit der hydraulischen Pumpe 24 jeweils fluidleitend verbinden, die Welle 22 an dem hydraulischen Motor 23 angetrieben und von der Welle 22 wird ein Differentialgetriebe 27 angetrieben. Mit dem Differentialgetriebe 27 sind zwei Radwellen 29 sowie jeweils ein Antriebsrad 28 an den Radwellen 29 verbunden. Dadurch können Antriebsräder 28 des nicht dargestellten Kraftfahrzeuges durch einen hydraulischen Antriebsteilstrang mit dem hydraulischen Motor 23 und der hydraulischen Pumpe 24 angetrieben werden. Aufgrund der Ausbildung des hydraulischen Motors 23 und der hydraulischen Pumpe 24 als Schrägscheibenmaschine 25 dient der hydraulische Motor 23 und die hydraulische Pumpe 24 auch als stufenloses hydraulisches Getriebe. Zweckmäßig weist das hydraulische Hybridsystem 20 auch einen mechanischen Antriebsteilstrang auf zur ausschließlichen mechanischen Kraftübertragung von dem Verbrennungsmotor 21 zu den beiden Antriebsrädern 28 (nicht dargestellt).
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Bei einem Betrieb der hydraulischen Pumpe 24 kann ein Teil der Hydraulikflüssigkeit nicht zu dem hydraulischen Motor 23, sondern durch weitere nicht dargestellte Hydraulikleitungen 26 und nicht dargestellte Ventile von einem Niederdruckspeicher 16 als dem zweiten Arbeitsraum 8 des Energiespeichers 1 gemäß 1 zu dem Hochdruckspeicher 15 als dem ersten Arbeitsraum 7 geleitet und gespeichert und dadurch hydraulische Energie in dem hydraulischen Energiespeicher 1 gespeichert werden. Ferner kann in einem Rekuperationsbetrieb der hydraulische Motor 23 auch als hydraulische Pumpe 24 betrieben werden um dadurch in einem Rekuperationsbetrieb kinetische Energie des nicht dargestellten Kraftfahrzeuges durch das Leiten von Hydraulikflüssigkeit von dem Niederdruckspeicher 16 als zweiten Arbeitsraum 8 und durch den hydraulischen Motor 23, welcher als hydraulische Pumpe 24 fungiert, in den Hochdruckspeicher 15 als ersten Arbeitsraum 7 gespeichert werden, weil die hydraulische Pumpe 24 von der Welle 22 und damit den Antriebsrädern 28 angetrieben ist. Durch das Leiten von Hydraulikflüssigkeit unter einem höheren Druck von dem Hochdruckspeicher 15, durch den hydraulischen Motor 23 und zu dem Niederdruckspeicher 16 kann das Kraftfahrzeug angetrieben werden.
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In 6 und 7 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines mechanischen Energiespeichers 9 dargestellt. Ein Gehäuse 6 aus glasfaserverstärktem Kunststoff oder Metall, z. B. Stahl oder Aluminium, begrenzt einen Innenraum 11 bzw. schließt einen Innenraum 11 ein. Innerhalb des Innenraumes 11 ist konzentrisch und koaxial zu dem im Querschnitt kreisförmigen Gehäuse 6 eine Welle 13 als Mittel 12 zum Dehnen und negativen Dehnen eines Speicherteiles 2 ausgebildet. Ein negatives Dehnen ist dabei eine Rückverformung oder eine Verkleinerung des Speicherteiles 2. Das Speicherteil 2 besteht aus einem elastischen Feststoffmaterial in der Form eines Bandes 34. Ein erstes Ende 32 des Bandes 34 ist dabei fest mit der Welle 13 verbunden und ein zweites Ende 33 ist fest mit einem Befestigungsteil 35 befestigt bzw. daran fixiert. Dabei ist das Befestigungsteil 35 von dem Gehäuse 6 gebildet. Bei einer Rotationsbewegung der Welle 13 um eine Rotationsachse 14 entgegen dem Uhrzeigersinn wird das Band 34 auf der Welle 13 aufgerollt und es erfolgt dabei eine Dehnung des Bandes 34, d. h. der Speicherung von Energie in dem Energiespeicher 1 mittels Spannenergie. Innerhalb des Innenraumes 11 ist Öl als ein Schmierstoff bzw. Schmieröl angeordnet, um die Reibung zwischen aufeinanderliegenden Lagen des Bandes 34 zu reduzieren, da eine Relativbewegung zwischen den aufeinanderliegenden Bändern 34 ausgeführt wird. In Dehnungsrichtung des Bandes 34, d. h. in einer Richtung senkrecht zu der Zeichenebene von 7 und parallel zu der Zeichenebene von 6 bzw. innerhalb der Zeichenebene von 6 sind an einer Seite des Bandes 34 rechteckförmige Schmierstoffrillen 37 als Schmierstoffvertiefungen 36 vorhanden. Zum Entladen des mechanischen Energiespeichers 1 ist eine nicht dargestellte Feststelleinrichtung bzw. Feststellbremse für die Welle 13 zu lösen, so dass dadurch aufgrund der von dem gespannten Band 34 auf die Welle 13 aufgebrachten Kräfte die Welle 13 eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse 14 im Uhrzeigersinn gemäß der Darstellung in 6 ausführt. Zum Laden des Energiespeichers 1 ist somit in einfacher Weise auf die Welle 13, welche außerhalb des Innenraumes 11 des Gehäuses 6 herausgeführt wird, ein Drehmoment entgegen dem Uhrzeigersinn von 6 aufzubringen und beim Entladen des Energiespeichers 1 erbringt der Energiespeicher 1 ein Drehmoment an der Welle 13 im Uhrzeigersinn.
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In 8 ist ein mechanisches Hybridsystem 38 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem in 5 dargestellten hydraulischen Hybridsystem 20 beschrieben. Das Differentialgetriebe 27 bzw. die Antriebsräder 28 werden ausschließlich mittels eines mechanischen Antriebsstranges 39 von der Welle 22 und einem mechanischen Getriebe 31 angetrieben. Dabei ist der mechanische Energiespeicher 1 gemäß 6 und 7 mittels einer Verbindungswelle 30 mechanisch mit dem mechanischen Getriebe 31 gekoppelt, so dass dadurch mechanische Energie des Verbrennungsmotors 31 in dem mechanischen Energiespeicher 1 gespeichert werden kann und außerdem in einem Rekuperationsbetrieb kinetische Energie des Kraftfahrzeuges in dem Energiespeicher 1 gespeichert werden kann. Beim Entladen des Energiespeichers 1 wird von der Welle 13 die Verbindungswelle 30 angetrieben und mittels der Verbindungswelle 30 können die Antriebsräder 28 angetrieben werden. Beim Laden des Energiespeichers 1 wird, wie bereits beschrieben, die Verbindungswelle 30 entweder von dem Verbrennungsmotor 21 oder den Antriebsräder 28 angetrieben und dadurch der Energiespeicher 1 geladen, indem die Welle 13 entgegen dem Uhrzeigersinn von 6 bewegt wird.
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Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen mechanischen Energiespeicher 9 und dem hydraulischen Energiespeicher 1 wesentliche Vorteile verbunden. Der mechanische Energiespeicher 9 benötigt kein Hydrauliköl zur Speicherung von Energie und kann sowohl in dem hydraulischen Hybridsystem 20 und dem mechanischen Hybridsystem 38 als auch in anderen Anwendungen an einem Kraftfahrzeug, beispielsweise an einem Start-Stopp-Starter zum häufigen Neustart des Verbrennungsmotors 21, eingesetzt werden. Der hydraulische Energiespeicher 1 integriert sowohl den Hochdruckraum 7 und den Niederdruckraum 8 innerhalb des Innenraumes 11 als dem ersten und zweiten Arbeitsraum 7, 8, so dass dadurch von dem hydraulischen Energiespeicher 1 sowohl ein erster Arbeitsraum 7 als Hochdruckraum oder Niederdruckraum als auch ein zweiter Arbeitsraum 8 als Niederdruckraum oder Hochdruckraum zur Verfügung gestellt wird und somit mit dem nur einen hydraulischen Energiespeicher 1 als Hoch- und Niederdruckspeicher 15, 16 das hydraulische Hybridsystem 20 betrieben werden kann zur Speicherung von Energie mittels des hydraulischen Energiespeichers 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006004120 A1 [0004]
- DE 10230743 A1 [0005]
- DE 102013206397 A1 [0006]
