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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 6.
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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 hydraulischer Energiespeicher zur Speicherung von Energie mittels einer elastischen Verformung wenigstens eines elastisch verformbaren Speicherteils aus einem elastischen Feststoffmaterial, umfassend 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, welches einen im Volumen variablen ersten Arbeitsraum begrenzt, und das Hydraulikfluid in dem ersten Arbeitsraum derart angeordnet ist, dass mittels eines Einleitens des Hydraulikfluides in den ersten Arbeitsraum bei einer Vergrößerung des Volumens des ersten Arbeitsraumes das elastische Feststoffmaterial dehnbar ist und mittels eines Ausleiten des Hydraulikfluides aus dem ersten Arbeitsraum bei einer Verkleinerung des Volumens des ersten Arbeitsraumes das elastische Feststoffmaterial negativ dehnbar ist, wobei der hydraulische Energiespeicher, insbesondere das wenigstens eine Speicherteil, dahingehend ausgebildet ist, dass beim Einleiten des Hydraulikfluides in den ersten Arbeitsraum bei der Vergrößerung des Volumens des ersten Arbeitsraumes der Druck in dem ersten Arbeitsraum im Wesentlichen konstant ist und/oder beim Ausleiten des Hydraulikfluides aus den ersten Arbeitsraum bei der Verkleinerung des Volumens des ersten Arbeitsraumes der Druck in dem ersten Arbeitsraum im Wesentlichen konstant ist, insbesondere in einem Teillastbereich des hydraulischen Energiespeichers nach einer Anfangsphase. Ein im Wesentlichen konstanter Druck bedeutet vorzugsweise, dass der Druck mit einer Abweichung von weniger als 40%, 30%, 20%, 10% oder 5% im Wesentlichen konstant ist. 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 eine, vorzugsweise flächige, Membran oder ein Schlauch aus dem elastischen Feststoffmaterial ausgebildet und die Membran oder der Schlauch trennt den ersten Arbeitsraum fluiddicht von der Umgebung oder einem zweiten Arbeitsraum ab.
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Vorzugsweise beträgt das Volumen des elastischen Feststoffmateriales des wenigstens einen Speicherteils wenigstens 5%, 10%, 30%, 50% oder 70% des Volumens des ersten und/oder zweiten Arbeitsraumes und/oder des Gesamtvolumens 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 des Energiespeichers ist, desto größer ist die von dem Energiespeicher speicherbare Energie bezogen auf das Volumen des Energiespeichers, da die Energie durch eine Dehnung des elastischen Feststoffmateriales in den Energiespeicher gespeichert wird. Zweckmäßig beträgt dabei der Volumenanteil des elastischen Feststoffmateriales wenigstens 5 %, 10 % oder 40 % oder 70 % des Volumens bzw. Gesamtvolumens des Energiespeichers oder weiterer in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Parameter bei einem Druck in dem ersten und/oder zweiten Arbeitsraum, welcher dem Umgebungsdruck an dem Energiespeicher entspricht, d. h. bei einem 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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Insbesondere 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 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 und vorzugsweise der hydraulische Energiespeicher, insbesondere das wenigstens eine Speicherteil, dahingehend ausgebildet ist, dass beim Einleiten des Hydraulikfluides in den, vorzugsweise ersten, Arbeitsraum bei der Vergrößerung des Volumens des, vorzugsweise ersten, Arbeitsraumes der Druck in dem, vorzugsweise ersten, Arbeitsraum im Wesentlichen konstant ist und/oder beim Ausleiten des Hydraulikfluides aus den, vorzugsweise ersten, Arbeitsraum bei der Verkleinerung des Volumens des, vorzugsweise ersten, Arbeitsraumes der Druck in dem, vorzugsweise ersten, Arbeitsraum im Wesentlichen konstant ist. Im Wesentlichen konstant bedeutet, dass der Druck mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10 % konstant ist. Der im Wesentlichen konstante Druck tritt nach einer Anfangsphase der Volumenvergrößerung des Arbeitsraumes auf bzw. vor einer Endphase einer Volumenverkleinerung des Arbeitsraumes.
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Vorzugsweise umfasst der Energiespeicher ein Gehäuse.
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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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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 ein p-V-Diagramm des hydraulischen Energiespeichers und
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4 eine stark vereinfachte Darstellung eines hydraulischen Hybridsystems.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Ein in 1 und 2 dargestellter hydraulische Energiespeicher 1 wird dazu verwendet, um in einem hydraulischen Hybridsystem 20 (4) 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 einen Innenraum 11 und innerhalb des Innenraumes 11 ist eine Membran 3 als ein Speicherteil 2 angeordnet. Die Membran 3 unterteilt dabei den Innenraum 11 des hydraulischen Energiespeichers 1 in einen ersten Arbeitsraum 7 als einem Hochdruckraum 7 und in einen zweiten Arbeitsraum 8 als einen Niederdruckraum 8. Der erste und zweite Arbeitsraum 7, 8 sind dabei mit der Membran 7 fluiddicht voneinander abgetrennt. In den ersten Arbeitsraum 7 mündet durch eine Öffnung 10 an dem Gehäuse 6 eine Ein- und Auslassöffnung 4, 5 zum Ein- und Ausleiten von Hydraulikflüssigkeit, insbesondere einem Hydrauliköl als einem Hydraulikfluid. 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 der Membran 3 auch den ersten und zweiten Arbeitsraum 7, 8. Außerdem ist jeweils ein Ende der Membran 3 an dem Gehäuse 6 befestigt bzw. fixiert. Die Ein- und Auslassöffnungen 4, 5 jeweils an dem ersten und zweiten Arbeitsraum 7, 8 sind mit einer nicht dargestellten Hydraulikleitung 26 fluidleitend miteinander verbunden. Bei einem Ausleiten von Hydrauliköl aus dem zweiten Arbeitsraum und einem Einleiten von Hydrauliköl in den ersten Arbeitsraum 7 durch die nicht dargestellte Hydraulikleitung 26 mit einer 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 Membran 3 und einer hieraus resultierenden Dehnung der Membran 3, da diese an den Enden fest mit dem Gehäuse 6 verbunden ist. Die hydraulische Energie ist somit in dem hydraulischen Energiespeicher 1 durch eine elastische Verformung des Speicherteiles 2 als Membran 3 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 nicht dargestellte Hydraulikleitung 26 und ferner durch einen hydraulischen Motor 23, so dass dadurch der hydraulische Motor 23 angetrieben wird. Dabei tritt eine elastische Rückverformung der Membran 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 Membranen 3 weisen 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 Membranen 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 Membran 3 an dem Energiespeicher 1 groß ist. Die Energiespeicherung in dem Energiespeicher 1 erfolgt durch die elastische Verformung und Dehnung der Membran aus dem elastischen Feststoffmaterial.
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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. Der in 2 dargestellte Energiespeicher 1 weist nur den ersten Arbeitsraum 7 als Arbeitsraum 7 auf. Dabei ist der Arbeitsraum 7 von einem schlauchförmigen Speicherteil 2 als Schlauch 47 begrenzt und bei einem Einleiten von Hydrauliköl in das schlauchförmige Speicherteil 2 wird der Durchmesser und auch die Länge des Speicherteils vergrößert und umgekehrt beim Ausleiten von Hydrauliköl. In 2 ist der Schlauch 47 mit durchgezogenen Linien bei einem geringen Ladezustand des Energiespeichers 1 dargestellt und mit gestrichelten Linien bei einem hohen Ladezustand dargestellt. Außerhalb des Arbeitsraumes 7 und innerhalb des Innenraumes 11 des Gehäuses 6 ist Luft mit Atmosphärendruck angeordnet. Für den Einsatz in einem hydraulischen Hybridsystem gemäß 4 werden zwei derartige hydraulische Energiespeicher 1 benötigt, welche mit einer Hydraulikleitung 26 fluidleitend miteinander verbunden sind und ein Energiespeicher 1 einen Hochdruckspeicher 15 bildet und ein anderer Energiespeicher 1 einen Niederdruckspeicher 16 bildet. Bei einem Leiten von Hydraulikflüssigkeit von dem Hochdruckspeicher 15 durch einen hydraulischen Motor 23 zu dem Niederdruckspeicher 16 wird der Energiespeicher 1 entladen. Zum Laden des Energiespeichers 1 wird Hydraulikflüssigkeit von dem Niederdruckspeicher 16 mit Hydraulikflüssigkeit unter einem kleinen Druck durch Hydraulikleitungen 26 und eine hydraulische Pumpe 24 zu dem Hochdruckspeicher 15 mit Hydraulikflüssigkeit unter einem hohen Druck geleitet. (nicht dargestellt)
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In 3 ist ein p-V-Diagramm des hydraulischen Energiespeichers 1 gemäß 2 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 bzw. die Druckdifferenz zwischen dem ersten Arbeitsraum und Atmosphärendruck aufgetragen. Bei einem nicht geladenen hydraulischen Energiespeicher 1 ist der Druck in dem ersten und zweiten Arbeitsraum 7, 8 bzw. der Druck in dem ersten Arbeitsraum Atmosphärendruck als Umgebungsdruck. Beim Aufladen des Energiespeichers 1 wird der Druck und das Volumen des ersten Arbeitsraumes 7 erhöht. Dabei tritt in Abhängigkeit von dem 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 bzw. zwischen dem (ersten) Arbeitsraum und dem Umgebungsdruck 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 4 ist ein hydraulisches Hybridsystem 20 mit dem hydraulischen Energiespeicher 9 gemäß 1 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 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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Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen hydraulischen Energiespeicher 1 wesentliche Vorteile verbunden. Das hydraulische Hybridsystem 20 mit dem hydraulischen Energiespeicher 1 kann optimiert betrieben werden, weil der hydraulische Energiespeicher 1 nicht vollständig entladen wird, so dass der hydraulische Energiespeicher 1 auch in unterschiedlichen Ladezuständen einen im Wesentlichen konstanten Druck des Hydrauliköls aufweist und dieser Druck ist dahingehend ausgelegt, so dass die Schrägscheibenmaschinen 25 einen im Wesentlichen maximalen Wirkungsgrad aufweisen. Damit ist in den Betriebszuständen des hydraulischen Hybridsystems 20 ein ausreichender Mindestdruck der Schrägscheibenmaschinen 25 als auch ein hoher Wirkungsgrad der Schrägscheibenmaschinen 25 gewährleistet.
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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]
