DE102014013782A1

DE102014013782A1 - Elektro-Hydraulischer Fahrantrieb

Info

Publication number: DE102014013782A1
Application number: DE102014013782.1A
Authority: DE
Inventors: Willem J. M. Muller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2016-03-17

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftfahrzeuge und leichtere Nutzfahrzeuge mit vereinfachtem Aufbau. Dazu wird der separate Drucktransformator ersetzt durch drucktransformierende Mischung, d. h. durch sofortige Verbindung der Leitungen, die vorher getrennt Hochdrucköl und Niederdrucköl im Drucktransformator geführt haben, um erst aus dem Transformator heraus die bedarfsbestimmte Mischung von Hoch- und Niederdrucköl als Mitteldrucköl zum Hydromotor führen zu können.

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft einen Antrieb für Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftfahrzeuge und leichtere Nutzfahrzeuge.
II. Technischer Hintergrund
Die Ära des Erdöls als tragende Energiequelle der Automobilität geht zu Ende. Zu gleicher Zeit stößt die Verbrennung fossiler Kraftstoffe wegen zunehmend negativer Umwelteffekte auf immer mehr Widerstand. Man arbeitet daher weltweit an sparsamen Verbrennungsmotoren, schadstoffarmen Elektroantrieben und an der Erzeugung von Kraftstoffen resp. Strom aus umweltfreundlichen Ressourcen.
Eine Schlüsselrolle spielt der Elektroantrieb. Wegen Schwierigkeiten mit den Batterien wird es aber noch einige Zeit dauern bevor, und ob überhaupt, dem reinen Elektroantrieb der Durchbruch am Massenmarkt gelingen wird.
Aber auch wenn die Batterien klein, leicht und preisgünstig geworden sind, ihre Ladung nicht mehr schwankt, die Überhitzungsgefahr gebannt ist und es mittlerweile ein dichtes Stromtanknetzwerk gibt, werden dem Elektroantrieb dennoch drei Negativpunkte bleiben:

1. Die Wiederverwendung der ganzen Bremsenergie – immerhin das Hauptpotential der Verbrauchsreduzierung – braucht zusätzlich entweder teure Hochleistungsbatterien oder einen nicht weniger teuren kinetischen Speicher.
2. Externe Aufladung der Batterie kostet viel Standzeit, während ein Verbrennungsmotor dies im laufenden Betrieb bei diskutablem Aufwand bietet.
3. Soweit der Strom aus fossilen Ressourcen erzeugt wird, sei es vom Kraftwerk oder vom Verbrennungsmotor, sind Verbrauch und Umweltbelastung bei elektrischen Antrieben entsprechend größer als bei nicht-elektrischen Antrieben.

Bis dahin muss der Elektroantrieb mit Verbrennungsmotoren zusammen arbeiten. Man spricht von elektrischen Hybridantrieben.
Die PCT/EP 2010/066 293 hat dazu bereits ein weitgehendes Lösungskonzept vorgeschlagen, basierend darauf, dass der Elektroantrieb nicht mit einem mechanischen, sondern mit einem hydraulischen Antriebssystem verbunden ist. Dadurch ist der Verbrennungsmotor nicht kinematisch mit den Rädern verbunden, leistet er nur nach Bedarf und können das elektrische und das hydraulische Potential auch interaktiv mit einander agieren.
Gemäß dem vorliegenden internationalen Recherchenbericht ist damit ein System mit folgendem Umfang verbunden:

– elektrischer Fahrantrieb, der einen E-Motor und eine damit verbundene Batterie aufweist;
– ein Drucktransformator, der Einlässe für Hochdrucköl und Niederdrucköl sowie einen Auslass für vom Transformator gemischtes Mitteldrucköl aufweist und den Hydraulikmotor damit versorgt, wobei:
– der elektrische Antrieb einen Hydraulikmotor und einen diesem nachgeschalteten elektrischen Generator umfasst, der mit der Batterie verbunden ist,
– und sowohl die Hydraulikpumpe des Freikolben-Verbrennungsmotors als auch der Drucktransformator sowohl mit der Hochdruckleitung als auch mit der Niederdruckleitung in Verbindung stehen.

Dieses System der vollen Addierbarkeit von hydraulischem und elektrischem Antrieb hebt weitgehend die Nachteile auf, welche einer breiten Marktakzeptanz in Wege stehen, jedoch nicht alle Nachteile. Denn

1. die Erzeugung elektrischer Energie mittels eigenen und separaten hydraulischem Motor und elektrischen Generator aus der Überschuss-Energie des Verbrennungsmotors ist bei dieser Lösung aufwändig und benötigt viel Platz und Gewicht;
2. die Erzeugung des bedarfsbestimmten Mitteldrucköl in einem separaten Drucktransformator benötigt ebenfalls viel Platz und Gewicht – und erhöht außerdem stärker die Temperatur des Öls, weshalb einen kräftigeres Kühlungsgerät benötigt wird.

Die sub 1. erwähnte Nachteile hat mittlerweile die DE 10 2013 102 036 aus 2013 gelöst: Die Batterie wird nicht geladen von einem separaten Generator, dessen vorliegende eigene Hydraulikmotor direkt von Hochdrucköl des Freikolben-Verbrennungsmotors aktiviert wird. Statt dessen ist der Generator lediglich eine Funktion der elektrischen Generator/Motor-Maschine zwischen Batterie und – mittels variabler Kupplung, bevorzugt am Differential – den Hinterrädern. Wenn die Kupplung aktiviert wird, produziert der Verbrennungsmotor mehr Hochdrucköl als der hydraulische Frontantrieb benötigt, da der Generator mittels dem Differential die Leistung abnimmt, womit er die Batterie beladet. Und ferner dient die Kupplung auch um leichte Bremsenergie zur Strom speichern zu lassen.
Wenn später die Batterie Strom zum Elektroantrieb abgibt, agiert diese elektrische Maschine nicht als Generator sondern als Motor. Und wegen der großen Variierung der Kupplung kann die Maschine sogar ein Gleichstrom-Generator/Motor sein, wodurch sich Invertor/Convertor erübrigt und er dennoch genügt für drei Funktionen: Autonomer Elektroantrieb – Unterstützung des Hydroantriebs – Speicherung & Nutzung der leichten Bremsenergie, in Kombination mit dem Hydroantrieb, der die leistungsstarke Bremsenergie speichert und nützt.
III. Darstellung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, einen einfacheren Aufbau zur Lösung von o. g. Nachteil 2. zur Verfügung zu stellen.
b) Lösung der Aufgabe
Dazu wird der separate Drucktransformator ersetzt durch drucktransformierende Mischung, d. h. durch sofortige Verbindung der Leitungen, die vorher getrennt Hochdrucköl und Niederdrucköl im Drucktransformator geführt haben, um erst aus dem Transformator heraus die bedarfsbestimmte Misschung von Hoch- und Niederdrucköl als Mitteldrucköl zum Hydromotor führen zu können.
1. illustriert die sofortige Kombination von Hoch- und Niederdrucköl in einer gemeinsamen Leitung zum anschließenden konstanten Hydraulikmotor.
Während sowohl die Axialkolben- wie die Radialkolben-Drucktransformatoren Hochdrucköl und Niedrigdrucköl in getrennten Leitungen bekamen um per saldo das aktuell benötigte Mitteldrucköl mit nur einer Leitung zum Hydraulikmotor zu bringen, benötigt die Erfindung den Drucktransformator nicht mehr, sondern nur die zwei soeben erwähnte Leitungen, wovon eine das Hochdrucköl vom Freikolbenmotor und die andere Niederdrucköl aus dem Niederdruckspeicher in einem mischenden Gesamtleitung zusammen zu bringen und um so Mitteldrucköl, das dem aktuellen Bedarf entspricht, zum Hydraulikmotor zu führen.
Allerdings benötigt die Hochdruckleitung nun – als Übergang zu der Mischungsleitung – ein Ventil, das die aktuelle Hochdrucköl-Leistung des Freikolbenmotors freigibt. Dies entweder als on/off-Ventil, das lediglich während dem Puls Öl abgibt und während der Pause geschlossen ist, oder als digital gesteuertes dynamisches Ventil, das – abhängig von den Pausen – kontinuierlich mehr oder weniger Hochdrucköl abgibt.
Ferner soll gesichert sein, dass – wie beim Drucktransformator – das Hochdrucköl sich nicht, statt zu dem Hydraulikmotor, gegen dem Anfuhr des Niederdrucköls richtet. Deswegen gibt die Hochdruckleitung sein Öl ausdrücklich in Richtung des Hydraulikmotors ab – und ist die Niederdruckleitung gegen den Hochdruck gesichert durch einen Druckventil.
Als zusätzliches Vorteil benötigt das Öl weniger Kühlung, da es nur im Hydraulikmotor rotiert wird, und nicht vorher auch schon im Drucktransformator.
Die Leistungssteuerung beider Varianten bleibt übrigens identisch: Der Fahrer signalisiert mittels dem Gaspedal den Antriebsbedarf, woran der Freikolben-Verbrennungsmotor seine Leistung sofort anpasst. Diese Steuerung basiert auf „Puls-Pause-Modulation”. Und da der hin- und herbewegende Freikolben an beiden Seiten sofort einen Puls geben oder eine Pause einlegen kann, ist der Bedarfsanpassung immer schnell und effizient.
Mit 1. lässt sich die Erfindung detailliert beschreiben:
Der Fahrer vermittelt dem (nicht gezeichneten) elektronischen IT-Gesamtsteuerung des Antriebsystems mittels dem Gaspedal das aktuelle Bedarf an Antriebsleistung, produziert von dem Freikolben-Verbrennungsmotor (1). Dieser Motor wirkt mittels „Puls-Pause-Modulation” und variiert seine Leistung mittels den Pausen zwischen den Pulsen. Die IT-Steuerung startet den Puls durch Funkentzündung (2) des bereits an dieser Seite verdichten Kraftstoffs zur Explosion, wodurch dort das Öl auf Hochdruck gepumpt wird, während an der anderen Seite (3) des Freikolbenmotors der bereits eingespritzte Kraftstoff zur Verdichtung gepresst wird und somit zur nächsten Puls vorbereitet ist. Und zugleich wird an der Pulsseite die von der Explosion veröffentlichte Raum nach Press-Reinigung mit Frischluft sofort mit Kraftstoff gefüllt (4), um zu warten auf Verdichtung, als Vorbereitung für den nächsten Puls an dieser Seite. N. B. Deshalb ist aus diesem Grund selbstzündende Kraftstoff nicht verwendbar!
Auf der Hochdruckleitung regelt ein Abgabe-Ventil (15) die Freigabe des Hochdrucköls; auf der Niederdruckleitung vorkommt ein Ruckschlag-Ventil (18), das der Hochdruck sich gegen den Niederdruck richtet.
Maximale Leistung bedeutet, dass es keine Pausen zwischen den Pulsen gibt, während der minimale Leistungsbedarf bestimmt wird durch so lange Pausen, dass die Verdichtung gerade noch nicht soweit zurück geht, dass die effiziente Leistung des Freikolbenmotors absinkt. Die Gasringen des Freikolbenmotors werden aber die Verdichtung während Pausen, die sogar vier bis fünf Pulsen dauern, aufrecht erhalten. Somit wird diesbezüglich kein Problem entstehen. Dies alles bedeutet, dass während der Pausen Zufügung von Niederdrucköl das ausbleiben van Hochdrucköl kompensiert, wodurch der empfangende Hydraulikmotor nicht in dem optimalen bedarfsorientierten Antrieb behindert wird.
Ergänzend sei noch erwähnt, dass Blockade des Niederöl-Zugangs mittels einem on-/off-Ventil an der Niederdrucköl-Leitung (23) die Drehzahl des Hydraulikmotors reduziert wird, aber nicht seinen Drehkraft. Wenn insbesondere der Hydroantrieb den Elektroantrieb unterstützt und dieser unerwartet ausfällt, kann er schon bei sehr geringer Geschwindigkeit kräftig aktiv werden. Im Beispiel der Seite 4 startet normalerweise seine Unterstützung erst mit 21,8 km/h. Bei ausbleiben von Nieder-drucköl kann der Hydroantrieb jedoch bereits bei Pausen, die 5 Pulsen dauern, bei 4,4 km/h mit seiner maximalen Leistung unterstützen. (Und bei der Multiplier-Geschwindigkeit, die normalerweise erst bei 60 km/h anfängt, schon ab 12 km/h.)
Bezugszeichenliste

1: Freikolbenverbrennungsmotor, zweiseitig
2: Funkspritz, zur Start des Pulses
3: Kraftstoffverdichtungsraum
4: Kraftstoffspritz, zur Füllung Verdichtungsraum
10: Hydraulikpumpe des Freikolbenmotors
11: Hochdruckspeicher
12: Niederdruckspeicher
13: Konstant-Hydraulikmotor
14: Planetengetriebe
15: Abgabe-Ventil Hochdruck-Öl
16: Hochdrucköl-Leitung
17: Niederdrucköl-Leitung
18: Rückschlagventil
19: Mischungsleitung des Hoch- und Niederdrucköls
20: Mitteldrucköl
21: Bremsenergiespeicher
22: Leitung von Bremsenergie zur Niederdrucköl-Leitung
23: Sperventil Niederdruck-Öl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2010/066293 [0006]
DE 102013102036 [0009]

Claims

Elektro-hydraulischer Kraftfahrzeug-Antrieb für ein Fahrzeug mit zwei Achsen mit – einem Freikolbenverbrennungsmotor mit Hydraulikpumpe (10), der chemische Energie aus einem Kraftstoff in hydraulische Energie umwandelt und diese in Form von Öl mit konstant hohem Druck in einem Hochdruckspeicher (11) speichert. – einem Niederdruckspeicher (12) für Niederdrucköl, – einem hydraulischen Fahrantrieb an der einen Achse, der wenigstens einen Hydraulikmotor mit konstantem Fördervolumen (13) umfasst, mit nachgeschaltet einer trennbaren mechanischen Kupplung, insbesondere einem variablen Planetengetriebe (14), – einem elektrischen Fahrantrieb an der anderen Achse, bestehend aus eine Generator-/Motor-Maschine die einerseits mit einer elektrischen Batterie verbunden ist und andrerseits, mittels ebenfalls einem trennbaren variablen Planetengetriebe, mit den Rädern der Achse des elektrischen Fahrantriebs, und – einem Drucktransformator, der Einlasse für Hochdrucköl und Niederdrucköl sowie einen Auslass für drinnen gemischtes Mitteldruck-Öl aufweist und damit dem Hydraulikmotor versorgt. – sowohl die Hydraulikpumpe des Freikolbenmotors als auch der Drucktransformator sowohl mit dem Hochdruckspeicher (11) als auch mit dem Niederdruckspeicher (12) in Verbindung stehen, – der hydraulische Fahrantrieb und der elektrische Fahrantrieb hydraulisch ohne Verbindung zu einander sind und mechanisch ausschließlich über das Chassis des Fahrzeuges mit einander verbunden sind. dadurch gekennzeichnet, dass – der Drucktransformator ersetzt wird durch lediglich die Mischung des vom Freikolbenverbrennungsmotor nach dem aktuellen Bedarf produziertes und mittels einem Ventil (15) aus Hochdruckspeicher (11) entnommenen Hochdrucköls (16) mit dem von Hydraulikölspeicher entnommenen Niederdrucköl (17) – wobei ein Rückschlagventil (18) verhindert, dass der Hochdruck sich gegen den Niederdrucköl wendet, und somit die Mischung stattfindet in einer Leitung (19), mit der das Mitteldrucköl (20) dem Hydraulikmotor zugeführt wird.
Antrieb nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass der Öl-Auslass des Hydraulikmotors mit reinem Niederdruck ins Hydraulikölspeicher, aber mit gestiegenem Druck in einem separatem Bremsenergie-Speicher (21) geführt wird, damit den gestiegenen Öldruck über eine zusätzliche Leitung (22) direkt zur Mischung mit Hochdrucköl geführt wird
Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sperrventil (23) in der Niederdruckleitung vorhanden ist, damit lediglich Hochdrucköl dem Hydraulikmotor zugeführt wird – wodurch dessen Drehzahl bei zunehmenden Pausen abnimmt, aber sein Drehkraft bleibt und somit das maximale Drehmoment der Rädern auch bei sehr geringer Geschwindigkeit verfügbar ist.