DE102016119220A1

DE102016119220A1 - Hydraulischer Hybridantrieb

Info

Publication number: DE102016119220A1
Application number: DE102016119220.1A
Authority: DE
Inventors: Jörg Fritzsche; Christoph Käppner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-10-10
Filing date: 2016-10-10
Publication date: 2018-04-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hybridantriebsstrang (1) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine Brennkraftmaschine (2) sowie einen Hydraulikmotor und eine Hydraulikpumpe oder ein alternierend als Hydraulikmotor und/oder Hydraulikpumpe betreibbares Hydraulikaggregat (4), eine Kühlvorrichtung (5) und einen Abwärmeübertrager (6) zur Rückgewinnung thermischer Verlustenergie der Brennkraftmaschine (2), insbesondere aus einem Abgastrakt (7) der Brennkraftmaschine (2), einen Niederdruckbehälter (8) sowie einen Gasdruckspeicher (9) bestehend aus zwei miteinander über eine Druckleitung (10) verbundenen Hochdruckbehältern (11, 12), wobei der Hydraulikmotor und/oder die Hydraulikpumpe oder das Hydraulikaggregat (4) mit dem Niederdruckbehälter (8) sowie einem ersten Hochdruckbehälter (11) des Gasdruckspeichers (9) jeweils über zumindest eine eine Hydraulikflüssigkeit (13) aufweisende Hydraulikleitung (14) in Verbindung stehen und der erste Hochdruckbehälter (11) zumindest teilweise mit der Hydraulikflüssigkeit (13) befüllbar ist. Weiterhin ist der erste Hochdruckbehälter (11) mittels der Kühlvorrichtung (5) kontinuierlich kühlbar und der zweite, ein kompressibles Arbeitsfluid (15) aufnehmende Hochdruckbehälter (12) mittels des Abwärmeübertragers (6) kontinuierlich beheizbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine Brennkraftmaschine sowie einen Hydraulikmotor und eine Hydraulikpumpe oder ein alternierend als Hydraulikmotor und/oder Hydraulikpumpe betreibbares Hydraulikaggregat, eine Kühlvorrichtung und einen Abwärmeübertrager zur Rückgewinnung thermischer Verlustenergie der Brennkraftmaschine, insbesondere aus einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine, einen Niederdruckbehälter sowie einen Gasdruckspeicher bestehend aus zwei miteinander über eine Druckleitung verbundenen Hochdruckbehältern, wobei der Hydraulikmotor und/oder die Hydraulikpumpe oder das Hydraulikaggregat mit dem Niederdruckbehälter sowie einem ersten Hochdruckbehälter des Gasdruckspeichers jeweils über zumindest eine eine Hydraulikflüssigkeit aufweisende Hydraulikleitung in Verbindung stehen und der erste Hochdruckbehälter zumindest teilweise mit der Hydraulikflüssigkeit befüllbar ist.
Im derzeitigen Kraftfahrzeugbau besteht die Herausforderung, den Kraftstoffverbrauch sowie den damit verbundenen Schadstoffausstoß eines Kraftfahrzeuges zu senken. Hierbei ist ein klarer Trend zur Verwendung von Hybridantrieben zu erkennen, wobei es sich bei diesen Hybridantrieben in der Regel um elektrisch betriebene Hybride handelt, bei welchen neben dem Verbrennungsmotor ein oder mehrere Elektromotoren zum Antrieb des Fahrzeuges verwendet werden.
Elektromotoren bedingen zusätzliche elektrische Energiequellen im Kraftfahrzeug, welche für gewöhnlich in Form von mehreren Batterien, insbesondere Akkumulatoren, realisiert sind. Das Einbringen einer Vielzahl solcher Akkumulatoren in das Fahrzeug hat jedoch den Nachteil, dass hierdurch die Fahrzeugmasse deutlich ansteigt und damit weiterhin erhöhte Fahrzeugkosten einhergehen. Dies macht insbesondere die Auslegung von günstigen Kleinwagen als elektrische Hybridfahrzeuge weitgehend unattraktiv.
Als eine mögliche Lösung hierfür hat sich unlängst ein Antriebskonzept entwickelt, welches als hydraulischer Hybridantrieb bekannt ist. Hierbei wird neben dem Verbrennungsmotor ein hydraulisch bzw. hydropneumatisch betriebenes Antriebsaggregat verwendet, welches aus einem Hydraulikmotor, auch Hydromotor genannt, und einer Hydraulikpumpe besteht. In der Regel ist hierbei das Hydraulikaggregat als eine Einheit ausgelegt, welche sich sowohl als Hydraulikmotor als auch als Hydraulikpumpe verwenden lässt.
Der Antrieb des Hydraulikmotors erfolgt typischerweise mittels einer unter Druck stehenden Hydraulikflüssigkeit, welche hierfür zuvor mittels der Hydraulikpumpe in einen Druckbehälter überführt wird. Der Druck auf die Hydraulikflüssigkeit entsteht durch die Verdichtung des sich im Druckbehälter befindlichen kompressiblen Fluids, beispielsweise Luft, während des Pumpvorganges. Nach dem Durchströmen des Hydraulikmotors wird die Hydraulikflüssigkeit in einem Sammelbehälter aufgenommen und aus diesem erneut in den Druckbehälter überführt.
Neuere Bestreben zielen zudem darauf ab, den Wirkungsgrad solcher hydraulischer Hybridantriebe dadurch zu steigern, dass die durch den Verbrennungsmotor erzeugte Abwärme zur Steigerung des Druckes auf die Hydraulikflüssigkeit verwendet wird, indem insbesondere die Motorabgase der Temperatursteigerung des kompressiblen Fluids dienen.
Ein solches Vorgehen ist beispielsweise durch die DE 10 2007 034 025 A1 offenbart. Der durch diese Druckschrift beschriebene hydraulische Hybridantrieb zeigt, wie ein als Pumpe oder Motor fungierendes Antriebsaggregat parallel zu einem Verbrennungsmotor auf den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges wirkt. Das hydraulische Antriebsaggregat ist mit einem Druck- sowie Sammelbehälter verbunden, wobei die Rückgewinnung von Wärmeenergie aus dem Abgas des Verbrennungsmotors in unterschiedlichen Ausführungsformen realisiert ist. Hier ist die Übertragung der Wärmeenergie auf ein im Druckbehälter befindliches Inertgas oder die sich im Druckbehälter befindliche Flüssigkeit beschrieben. Dies dient im ersten Fall der Erhöhung des Druckes im Inertgas und somit im Druckbehälter. Im zweiten Fall wird die im Druckbehälter vorhandene Flüssigkeit verdampft, wodurch der Druck im Druckbehälter ebenfalls steigt. Um zu verhindern, dass in diesem Fall während des Entladens des Druckbehälters verdampfte Flüssigkeit in das Antriebsaggregat gelangt, wird eine zusätzliche Kühlung oder ein Kondensator vorgeschlagen. Neben diesen Möglichkeiten ist eine Kraft-Wärme-Kopplung ähnlich der Verwendung einer Gasturbine beschrieben. Hierfür sind neben dem Druck- sowie Sammelbehälter ein zusätzlicher Dampferzeuger sowie ein Kondensator vorgesehen, wobei Flüssigkeit über den Druckbehälter in den Dampferzeuger geleitet und in diesem verdampft wird. Der Dampf wird anschließend durch eine Turbine geführt, die auf den Antriebsstrang wirkt und abschließend durch einen mit dem Sammelbehälter verbundenen Kondensator wiederum verflüssigt. Die vorgeschlagenen Ausführungsformen sind durch die Vielzahl von teils zusätzlich benötigten Komponenten wie Kühler, Dampferzeuger, Kondensator und Turbine komplex im Aufbau und somit kostenintensiv. Auch werden in ausgewählten Ausführungsformen zum Kühlen und Beheizen des Druckbehälters zusätzliche Kühlvorrichtungen wie Ventilatoren benötigt.
Aus der WO 96/34213 geht zudem ein System hervor, welches neben einem Sammelbehälter zwei parallel agierende Systemstränge aufweist, die jeweils aus einer Druckbehälterkombination bestehen, bei welcher getrennte Druckbehälter für kompressibles Fluid sowie Hydraulikflüssigkeit vorliegen. Ein jeweiliger, das kompressible Fluid beinhaltender Druckbehälter wird hierbei entweder mittels den Abgasen eines Motors beheizt oder beispielsweise durch zusätzliche Gebläse gekühlt. Hierbei dient das Beheizen wie zuvor der Erhöhung des Druckes im kompressiblen Fluid und somit des Druckes auf die Hydraulikflüssigkeit, das Kühlen hingegen der Minderung des Druckes im kompressiblen Fluid und somit des Druckes auf die Hydraulikflüssigkeit. Die Minderung des Druckes durch Kühlung des entsprechenden Druckbehälters ermöglicht hierbei eine einfachere Rückbefüllung des die Hydraulikflüssigkeit aufnehmenden Druckbehälters mit der Hydraulikflüssigkeit an sich. Es ist vorgesehen, dass die Stränge des Systems abwechselnd beladen und entladen werden, sodass ein quasi kontinuierlicher Betrieb des Systems ermöglicht werden kann. Durch die angestrebte doppelte Auslegung werden nahezu alle Systemkomponenten auch in doppelter Anzahl sowie zudem zusätzliche zur Umschaltung zwischen den Strängen vorgesehene Ventile benötigt, was die Systemkomplexität und die damit verbundenen Kosten nachteilig in die Höhe treibt. Ebenso ist ein Heizen sowie ein Kühlen der jeweiligen Druckbehälter eines Stranges vorgesehen, wodurch ein Umschalten zwischen Kühlen und Heizen und somit eine erhöhte Anzahl an Ventilen oder zusätzliche Bauteile, wie Ventilatoren und Pumpen, benötigt werden.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hybridantriebsstrang der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass dieser eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich verminderte Komplexität und somit eine geringere Anzahl verwendeter Bauteile aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Hybridantriebsstrang gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Hybridantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, welcher eine Brennkraftmaschine sowie einen Hydraulikmotor und eine Hydraulikpumpe oder ein alternierend als Hydraulikmotor und/oder Hydraulikpumpe betreibbares Hydraulikaggregat aufweist. Weiterhin weist der Hybridantriebsstrang eine Kühlvorrichtung und einen Abwärmeübertrager zur Rückgewinnung thermischer Verlustenergie der Brennkraftmaschine, insbesondere aus einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine, einen Niederdruckbehälter sowie einen Gasdruckspeicher auf. Der Gasdruckspeicher besteht dabei aus zwei miteinander über eine Druckleitung verbundenen Hochdruckbehältern. Weiterhin stehen Hydraulikmotor und/oder Hydraulikpumpe oder das Hydraulikaggregat mit dem Niederdruckbehälter sowie einem ersten Hochdruckbehälter des Gasdruckspeichers jeweils über zumindest eine eine Hydraulikflüssigkeit aufweisende Hydraulikleitung in Verbindung. Der erste Hochdruckbehälter ist hierbei zumindest teilweise mit der Hydraulikflüssigkeit befüllbar. Erfindungsgemäß ist weiterhin der erste Hochdruckbehälter mittels der Kühlvorrichtung kontinuierlich kühlbar und der zweite, ein kompressibles Arbeitsfluid aufnehmende Hochdruckbehälter mittels des Abwärmeübertragers kontinuierlich beheizbar.
Es erfolgt somit eine Trennung zwischen beheiztem und gekühltem Teil des Gasdruckspeichers und im Grundsatz eine thermische Entkopplung aufgrund der Verbindung des beheizten zweiten Hochdruckbehälters und des gekühlten ersten Hochdruckbehälters über die Druckleitung. Diese sollte hierbei so ausgelegt sein, dass durch die Druckleitung ein geringer Wärmeübergang erfolgt. Durch die Trennung wird es überdies ermöglicht, den Gasdruckspeicher des Hybridantriebsstranges ohne eine hohe Anzahl an zusätzlichen Bauteilen zu beheizen und/oder zu kühlen, ein Umschalten zwischen Kühlen und Heizen und damit verbunden dem Einbringen von zusätzlichen Ventilen und/oder Ventilatoren in den Hybridantriebsstrang ist somit nicht notwendig. Der erste Hochdruckbehälter des Gasdruckspeichers kann durchgehend gekühlt werden, während der zweite Hochdruckbehälter durchgehend beheizt wird.
Der genutzte Abwärmeübertrager soll als ein Wärmeübertrager oder auch Rekuperator ausgebildet sein, welcher nach dem Prinzip der indirekten Wärmeübertragung arbeitet. Bei dieser sind die Stoffströme räumlich durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt. Umgangssprachlich werden diese Wärmeübertrager auch als Wärmetauscher bezeichnet. Der Abwärmeübertrager nutzt dabei die durch die Brennkraftmaschine generierte Abwärme, wobei bevorzugt die heißen Abgase der Brennkraftmaschine verwendet werden, um den Abwärmeübertrager mit thermischer Energie zu versorgen. Der Abwärmeübertrager kann in diesem Fall ein Bestandteil des Abgastraktes der Brennkraftmaschine sein und von den heißen Abgasen durchströmt oder gegebenenfalls auch umströmt werden. Die Brennkraftmaschine an sich kann hierbei beispielsweise als ein Verbrennungsmotor, im Detail als ein Otto- oder Dieselmotor ausgebildet sein. Die Anordnung des Abwärmeübertragers sollte weiterhin innerhalb des zweiten Hochdruckbehälters erfolgen, wobei die äußere Oberfläche des Abwärmeübertragers zumindest teilweise in Kontakt mit dem kompressiblen Arbeitsfluid steht, oder die Anordnung erfolgt so, dass der Abwärmeübertrager den zweiten Hochdruckbehälter zumindest abschnittsweise umschließt.
Die Kühlung des ersten Hochdruckbehälters kann in dieser Ausführungsform in einfachster Weise durch Konvektion und Strahlung erfolgen, wobei die Kühlvorrichtung als simple Kühlrippen an dem ersten Hochdruckbehälter ausgeführt sein kann. Die Hochdruckbehälter wären hierfür in einem entsprechenden Abstand anzuordnen, um eine möglichst geringe Wärmeübertragung zwischen den Hochdruckbehältern zu gewährleisten. Denkbar ist jedoch überdies, dass die Kühlvorrichtung als ein Wärmeübertrager, z. B. ein Rekuperator, ausgebildet und innerhalb des ersten Hochdruckbehälters angeordnet ist oder den ersten Hochdruckbehälter zumindest abschnittsweise umschließt. Die als Wärmeübertrager ausgebildete Kühlvorrichtung würde dabei von einem Kühlmittel durchströmt, welches die in den Arbeitsmedien, d. h. der Hydraulikflüssigkeit, sowie dem kompressiblen Arbeitsfluid gespeicherte thermische Energie aufnimmt und an das Kühlmittel abgibt.
Das Kühlmittel könnte durch eine Kühlflüssigkeit, die der Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine entspricht, im einfachsten Falle Wasser mit oder ohne Zusätzen, einem sonstigen Motorkühlmittel oder einem gasförmigen Kühlfluid, wie beispielsweise Luft, einem Inertgas oder einem sonstigen Gas gebildet werden.
Durch die Kühlung des ersten Hochdruckbehälters ist neben der Minimierung des Volumens des Arbeitsfluids auch vorteilhaft die Verringerung der Temperatur der Hydraulikflüssigkeit zu erreichen, wodurch ein Überhitzen dieser und ein damit eventuell verbundenes Verdampfen der Hydraulikflüssigkeit verhindert werden kann.
Bezüglich des kompressiblen Arbeitsfluids lässt sich anmerken, dass dieses unter anderem als ein beliebiges Gas, beispielsweise Luft, ausgebildet sein kann.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung enthält der erste Hochdruckbehälter Hydraulikflüssigkeit und/oder das kompressible Arbeitsfluid und/oder der zweite Hochdruckbehälter ausschließlich das kompressible Arbeitsfluid. In einer Ausprägung könnte somit der erste Hochdruckbehälter Hydraulikflüssigkeit und/oder Arbeitsfluid enthalten, wobei der zweite Hochdruckbehälter lediglich das kompressible Arbeitsfluid beinhaltet. Somit würde mittels des Abwärmeübertragers ausschließlich thermische Energie auf das sich im zweiten Hochdruckbehälter befindliche kompressible Arbeitsfluid übertragen, während die sich im ersten Hochdruckbehälter befindende Hydraulikflüssigkeit stetig gekühlt wird. Eine Erwärmung der Hydraulikflüssigkeit, welche eine höhere Wärmekapazität aufweist als das Arbeitsfluid, wäre somit minimal, wobei ein Wärmeübergang lediglich durch den Kontaktbereich mit dem Arbeitsfluid erfolgt. Würde sich hingegen die Hydraulikflüssigkeit bis in den zweiten Hochdruckbehälter erstrecken, hätte dies eine deutlich höhere Erwärmung der Hydraulikflüssigkeit zur Folge, wobei der Hydraulikflüssigkeit die übertragene thermische Energie beim Übergang in den ersten Hochdruckbehälter wieder entzogen werden müsste. Dies würde sich im Hinblick auf den thermischen Wirkungsgrad jedoch negativ auswirken und in Form dieser Weiterbildung entsprechend unterbunden werden.
Überdies ist es als vorteilhaft anzusehen, wenn zwischen dem ersten Hochdruckbehälter und dem zweiten Hochdruckbehälter ein Zwischenspeicher für thermische Energie angeordnet ist, welcher beim Übergang des kompressiblen Arbeitsfluids zwischen den Hochdruckbehältern thermische Energie aus dem Arbeitsfluid aufnimmt und/oder thermische Energie an das Arbeitsfluid abgibt, wodurch die Wärmeübertragung zwischen den Hochdruckbehältern aufgrund des zwischen den Hochdruckbehältern wechselseitig strömenden kompressiblen Arbeitsfluids minimiert werden kann. Der Zwischenspeicher sollte hierfür innerhalb der die Hochdruckbehälter verbindenden Druckleitung angeordnet sein, einen Bestandteil dieser Druckleitung bilden oder die Druckleitung zumindest abschnittsweise umschließen. Eine mögliche Ausführungsform des Zwischenspeichers für thermische Energie kann hierbei in einem Regenerator bestehen.
Ein Regenerator in diesem Sinne ist ein Wärmeübertrager, welcher eine als Kurzzeit-Wärmespeicher dienende Füllmasse aufweist, die abwechselnd vom warmen und kalten Arbeitsfluid, beispielsweise einem Gas, durchströmt wird. Die Füllmasse kann im einfachsten Falle beispielsweise eine Metallwolle, unter anderem Stahlwolle, sein. Der Wärmeübergang erfolgt hierbei zuerst vom Arbeitsfluid auf den Wärmespeicher, d. h. den Regenerator, um anschließend wieder an das nachfolgende durchströmende Arbeitsfluid, welches entsprechend dasselbe Arbeitsfluid sein kann, abgegeben zu werden.
Eine überaus gewinnbringende Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des zweiten Hochdruckbehälters geringer ist als das Volumen des ersten Hochdruckbehälters, wodurch es aufgrund des geringeren Volumens des zweiten Hochdruckbehälters auf einfache Weise ermöglicht werden kann, eine Erhöhung des Druckes durchzuführen. Das Verhältnis der Volumina ist hierbei insbesondere abhängig vom gewünschten Druck sowie dem zu verdrängenden Volumen der Hydraulikflüssigkeit im ersten Hochdruckbehälter und in diesem Zusammenhang mit der durch den Hydraulikmotor oder das Hydraulikaggregat aufzubringenden Leistung. Insbesondere sollte hierbei das Verhältnis des Volumens des ersten Hochdruckbehälters zum Volumen des zweiten Hochdruckbehälters größer als oder gleich zwei zu eins, insbesondere größer als oder gleich fünf zu eins und in besonders hohem Maße größer als oder gleich zehn zu eins betragen.
Das Verhältnis ist hierbei stark abhängig vom Fahrzeugtyp, und insbesondere den entstehenden Abgastemperaturen. Ein mögliches Optimum kann im Bereich eines Verhältnisses der Volumina von zwei zu eins liegen. Entscheidend wäre hierbei, dass das sich das Arbeitsgas während der Kompression auch ohne eine äußere Wärmezufuhr erwärmt. Je größer das Verhältnis, desto mehr kann sich das Arbeitsgas erwärmen. Sollte nach der Kompression noch eine durch die Abwärme der Brennkraftmaschine eine weitere Erwärmung des Arbeitsgases erfolgen, müssen ausreichend hohe Abgastemperaturen vorliegen. Diese sind stark vom Fahrzeugtyp und Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abhängig.
Ist zudem innerhalb des Abgastraktes der Brennkraftmaschine stromaufwärts des Abwärmeübertragers ein Ventil angeordnet, mittels welchem die Zufuhr von Abgas zum Abwärmeübertrager unterbrechbar ist, so ist dies als besonders erfolgversprechend anzusehen, da hierdurch das Beheizen des zweiten Hochdruckbehälters kurzfristig unterbrochen oder zumindest minimiert werden kann. Dies ist beim sogenannten Beladen des zweiten Hochdruckbehälters, also dem Komprimierungsvorgang des Arbeitsfluids im zweiten Hochdruckbehälter von Vorteil, da somit die durch die thermische Energie des Abgases hervorgerufene Druckerhöhung im zweiten Hochdruckbehälter ebenfalls kurzfristig unterbrochen oder zumindest minimiert werden kann, was wiederum den Komprimierungsvorgang vereinfacht.
In einer weiteren äußerst vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Kühlvorrichtung Bestandteil eines Kühlkreislaufes der Brennkraftmaschine, was die Komplexität des Hybridantriebsstranges verringert. Hierdurch ist es möglich, dass auf einen zusätzlichen Kühlkreislauf, welcher der Kühlung des ersten Hochdruckbehälters dient, zu verzichten. Dabei sollte wie bereits beschrieben die Kühlvorrichtung als ein Wärmeübertrager, z. B. ein Rekuperator, ausgebildet und innerhalb des ersten Hochdruckbehälters angeordnet sein oder den ersten Hochdruckbehälter zumindest abschnittsweise umschließen. Die als Wärmeübertrager ausgebildete Kühlvorrichtung würde als Bestandteil des Kühlkreislaufes der Brennkraftmaschine durch das in dem Kühlkreislauf vorhandene Kühlmittel durchströmt, wodurch dieses in den Arbeitsmedien gespeicherte thermische Energie aufnimmt.
Zudem ist eine Ausführungsform der Erfindung als über die Maße vielversprechend anzusehen, wenn der zweite Hochdruckbehälter eine thermische Isolierung aufweist und/oder die Druckleitung zwischen den Hochdruckbehältern aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht. Sowohl eine thermische Isolierung des der zweiten Hochdruckbehälters als auch die Verwendung eines Materials mit geringer Wärmeleitfähigkeit als Werkstoff für die Druckleitung führen vorteilhaft dazu, dass der Wärmetransport zwischen den Hochdruckbehältern weitgehend minimiert werden kann, was wiederum zu einer Verbesserung der thermischen Entkopplung der Hochdruckbehälter führt.
Der erste Hochdruckbehälter sollte im Gegensatz nicht isoliert werden. Es sogar mit Vorteil behaftet, wenn dieser Wärme an die Umgebung abführt.
Ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit kann beispielsweise eine Keramik sein. Eine solche Keramik sollte hierbei einen thermischen Leitkoeffizienten geringer als zehn Watt pro Kelvin pro Meter, insbesondere geringer als fünf Watt pro Kelvin pro Meter und mit besonderem Vorteil geringer als ein Watt pro Kelvin pro Meter aufweisen.
Gegenüber der Verwendung eines Materials mit geringer Wärmeleitfähigkeit kann jedoch ebenso die Länge der Druckleitung erhöht werden.
Weist überdies die die Hochdruckbehälter verbindende Druckleitung ein Verhältnis von Durchmesser zu Länge geringer als oder gleich eins zu fünf oder geringer als oder gleich eins zu zehn auf, so kann eine besonders geringe Wärmeübertragung zwischen den Hochdruckbehältern über die Druckleitung erreicht werden, was eine hohe thermische Entkopplung der Hochdruckbehälter voneinander ermöglicht.
Der Innendurchmesser der Druckleitung sollte hierbei in einem Bereich von 10 Millimetern bis 30 Millimetern liegen. Die Länge der Druckleitung sollte somit in einem Bereich von 50 Millimetern bis 150 Millimetern oder 50 Millimetern bis 300 Millimetern liegen.
Insbesondere sollte der Innendurchmesser der Druckleitung jedoch geringer sein als ein Durchmesser oder eine charakteristische Größe der Hochdruckbehälter. Das Verhältnis von Innendurchmesser der Druckleitung zum Durchmesser oder der charakteristischen Größe des ersten oder zweiten Hochdruckbehälters sollte dabei in einem Bereich kleiner oder gleich als eins zu fünf, insbesondere kleiner oder gleich eins zu zehn betragen. Die charakteristische Größe kann hierbei die Breite, Höhe, Länge oder auch eine Raumdiagonale der Hochdruckbehälter darstellen.
Möchte man ein möglichst leistungsfähiges System, d. h. das im zweiten Hochdruckbehälter komprimierte Arbeitsgas soll möglichst schnell über die Druckleitung in den ersten Hochdruckbehälter gelangen, muss der Innendurchmesser der Druckleitung größer sein, als bei einem gewünschten, möglichst langsamen Übergang des Arbeitsgases.
Auch kann der Innendurchmesser der Druckleitung vom verwendeten Kraftfahrzeugtyp abhängen. Der Innendurchmesser kann beispielsweise bei Verwendung des Hybridantriebsstranges in Lastkraftwagen höher sein, als bei der Verwendung in Personenkraftwagen.
Zudem liegt eine vorbehaltlos effiziente Weiterbildung darin begründet, dass die den ersten Hochdruckbehälter und den zweiten Hochdruckbehälter verbindende Druckleitung als eine Pneumatikleitung ausgebildet ist, welche ausschließlich durch das kompressible Arbeitsfluid durchströmt wird. Somit ist ein Übergang der Hydraulikflüssigkeit in den zweiten Hochdruckbehälter durch die als Pneumatikleitung ausgeprägte Druckleitung nicht vorgesehen, sondern lediglich der Übergang des kompressiblen Arbeitsfluids. Denkbar ist, dass die Pneumatikleitung über einen Flüssigkeitsabscheider, beispielsweise eine flüssigkeitsundurchlässige Membran, verfügt, die einen Übergang der Hydraulikflüssigkeit verhindert.
Ferner ist es als äußerst praxisgerecht anzusehen, wenn das kompressible Arbeitsfluid ein Inertgas, insbesondere Stickstoff ist, wobei hierdurch eine mögliche chemische Reaktion des kompressiblen Arbeitsfluids mit der Hydraulikflüssigkeit unterbunden werden kann. Stickstoff ist dabei als ein besonders kostengünstiges Inertgas anzusehen.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hybridantriebsstranges;
2 das Beladen des Gasdruckspeichers;
3 das Entladen des Gasdruckspeichers;
4 eine Weiterbildung mit einem Zwischenspeicher für thermische Energie sowie Kühlkreislauf.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hybridantriebsstranges 1, wobei zunächst das Grundprinzip aufgezeigt ist. Dargestellt ist unter anderem die Brennkraftmaschine 2 sowie das alternierend als Hydraulikmotor und Hydraulikpumpe betreibbare Hydraulikaggregat 4, wobei diese gemeinsam oder getrennt voneinander auf die Abtriebsseite 17, hier letztendlich auf die in Bodenkontakt stehenden Räder eines Kraftfahrzeuges wirken. Das Hydraulikaggregat 4 ist jeweils über eine Hydraulikleitung 14 zum einen mit dem Niederdruckbehälter 8 sowie dem ersten Hochdruckbehälter 11 verbunden. Innerhalb des ersten Hochdruckbehälters 11, welcher über die Druckleitung 10 mit dem zweiten Hochdruckbehälter 12 verbunden ist und mit diesem den Gasdruckspeicher 9 bildet, ist die Kühlvorrichtung 5 angeordnet, welche in diesem Fall als ein Wärmeübertrager oder auch Rekuperator ausgebildet ist. Die Kühlvorrichtung 5 wird hierbei von dem Kühlmittel 25 durchströmt und kühlt somit kontinuierlich den ersten Hochdruckbehälter 11. Hingegen ist im zweiten Hochdruckbehälter 12 der Abwärmeübertrager 6 angeordnet, welcher thermische Verlustenergie aus dem Abgastrakt 7 der Brennkraftmaschine 2 rückgewinnt, um das im zweiten Hochdruckbehälter 12 befindliche kompressible Arbeitsfluid 15 kontinuierlich zu beheizen. Hierfür ist der Abwärmeübertrager 6 ebenfalls als ein Wärmeübertrager oder auch Rekuperator ausgebildet, welcher von durch den Abgastrakt 7 strömendem heißen Abgas durchflossen wird, wodurch sich letztendlich das im zweiten Druckbehälter 12 befindliche Arbeitsfluid 15 erhitzt. Der Darstellung ist zu entnehmen, dass der Niederdruckbehälter 8 vollständig mit der Hydraulikflüssigkeit 13 befüllt ist, welche sich ebenfalls innerhalb des Hydraulikaggregates 4 sowie den Hydraulikleitungen 14 befindet. Diese Hydraulikleitungen 14 verbinden ferner den Niederdruckspeicher 8 mit dem Hydraulikaggregat 4 und das Hydraulikaggregat 4 mit dem ersten Hochdruckspeicher 11. Zudem enthält der erste Hochdruckspeicher 11 ebenfalls die Hydraulikflüssigkeit 13, wobei der Füllstand lediglich so hoch ist, dass etwa ein Drittel des Volumens des ersten Hochdruckspeichers 11 mit der Hydraulikflüssigkeit 13 befüllt ist. Neben der Hydraulikflüssigkeit 13 beinhaltet der erste Hochdruckspeicher 11 zudem das kompressible Arbeitsfluid 15, wohingegen der zweite Hochdruckbehälter 12 ausschließlich das kompressible Arbeitsfluid 15 enthält. Das Volumen des zweiten Hochdruckbehälters 12 ist, wie zu erkennen, geringer als das Volumen des ersten Hochdruckbehälters 11. 1 zeigt überdies, dass die beiden Hochdruckbehälter 11, 12 übereinander angeordnet sind. Natürlich ist ebenso eine Anordnung möglich, bei welcher die Hochdruckbehälter 11, 12 nebeneinander positioniert sind, ohne dass sich die jeweiligen Oberseiten der Hochdruckbehälter 11, 12 gegenseitig überragen. Beispielsweise könnten die Oberseiten der Hochdruckbehälter 11, 12 bündig miteinander abschließen.
In 2 ist das sogenannte Beladen des Gasdruckspeichers 9 aufgezeigt. Mittels des als Hydraulikpumpe betriebenen Hydraulikaggregates 4 wurde hierfür die sich im Niederdruckspeicher 8 befindliche Hydraulikflüssigkeit 13 in den ersten Hochdruckbehälter 11 überführt, wodurch der Niederdruckspeicher 8 geleert ist. Der erste Hochdruckbehälter 11 hingegen ist nahezu vollständig mit Hydraulikflüssigkeit 13 befüllt, was dazu führt, dass sich das vormals im ersten Hochdruckspeicher 11 befindliche Arbeitsfluid 15 nahezu vollständig im zweiten Hochdruckspeicher 12 sammelt, wobei dieses über die Druckleitung 10 in den zweiten Hochdruckbehälter 12 übergeht und sich gleichsam in der Druckleitung 10 befindet. Bei diesem Vorgang wird das Arbeitsfluid 15 komprimiert, wodurch sich der Druck in den Hochdruckbehältern 11, 12 und somit ebenfalls auf die Hydraulikflüssigkeit 13 erhöht. Über den im zweiten Hochdruckbehälter 12 angeordneten Abwärmeübertrager 6 lässt sich der Druck weiter steigern, indem dieser mittels durch den Abgastrakt 7 der Brennkraftmaschine 2 und weiterhin durch den Abwärmeübertrager 6 strömendes Abgas erhitzt wird, wobei thermische Verlustenergie der Brennkraftmaschine 2 auf das Arbeitsfluid 15 übergeht. In dieser Ausführungsform ist zudem zur Vereinfachung des Beladens innerhalb des Abgastraktes 7 der Brennkraftmaschine 2 stromaufwärts des Abwärmeübertragers 6 ein Ventil 16 angeordnet, mittels welchem die Zufuhr von Abgas zum Abwärmeübertrager 6 unterbrochen werden kann. Hierdurch ist es möglich, beim Beladen das Erhitzen des Arbeitsfluids 15 kurzfristig auszusetzen. Die sich im ersten Hochdruckbehälter 11 befindliche Hydraulikflüssigkeit 13 wird jedoch weiterhin kontinuierlich durch die Kühlvorrichtung 5 gekühlt. Die Strömungsrichtung von Hydraulikflüssigkeit 13 sowie Arbeitsfluid 15 ist durch entsprechende Pfeile 19, 20, 21 gekennzeichnet.
Die 3 zeigt das sogenannte Entladen des Gasdruckspeichers 9. Hierbei strömt die Hydraulikflüssigkeit 13 aufgrund des im Gasdruckspeicher 9, d. h. den Hochdruckbehältern 11, 12, aufgebauten Druckes über die Hydraulikleitungen 14 durch das als Hydraulikmotor betriebene Hydraulikaggregat 4 in den Niederdruckbehälter 8, wodurch das als Hydraulikmotor betriebene Hydraulikaggregat 4 angetrieben wird und eine Leistung erzeugt, die einzeln oder in Verbindung mit der durch die Brennkraftmaschine 2 erzeugten Leistung auf die Abtriebsseite 17 wirkt. Während des Entladevorganges werden sowohl der erste Hochdruckbehälter 11 mittels der Kühlvorrichtung 5 kontinuierlich gekühlt als auch der zweite Hochdruckbehälter 12 mittels des Abwärmeübertragers 6 kontinuierlich beheizt, wofür wiederum die über den Abgastrakt 7 der Brennkraftmaschine 2 übertragene thermische Verlustenergie genutzt wird. Die Strömungsrichtung von Hydraulikflüssigkeit 13 sowie Arbeitsfluid 15 ist zudem durch entsprechende Pfeile 22, 23, 24 gekennzeichnet.
Die in 4 dargestellte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hybridantriebsstranges 1 beinhaltet die Anordnung eines Zwischenspeichers 3 für thermische Energie zwischen dem ersten Hochdruckbehälter 11 und dem zweiten Hochdruckbehälter 12, wobei der Zwischenspeicher 3 in dieser Ausführung als ein Regenerator ausgebildet ist. Der Regenerator ist hierbei Bestandteil der Druckleitung 10 und nimmt beim Übergang des kompressiblen Arbeitsfluids 15 zwischen den Hochdruckbehältern 11, 12 thermische Energie aus dem Arbeitsfluid 15 auf oder gibt thermische Energie an das Arbeitsfluid 15 ab. Hierbei erfolgt die Aufnahme der thermischen Energie beim Übergang des Arbeitsfluids 15 vom zweiten Hochdruckbehälter 12 in den ersten Hochdruckbehälter 11, die Abgabe der thermischen Energie erfolgt demzufolge beim Übergang des Arbeitsfluids 15 aus dem ersten Hochdruckbehälter 11 in den zweiten Hochdruckbehälter 12. Weiterhin ist aufgezeigt, dass die Kühlvorrichtung 5 Bestandteil des Kühlkreislaufes 18 der Brennkraftmaschine 2 ist, wobei die Kühlvorrichtung 5 vom Kühlmittel 25 der Brennkraftmaschine 2 durchflossen wird.
Bezugszeichenliste

1: Hybridantriebsstrang
2: Brennkraftmaschine
3: Zwischenspeicher
4: Hydraulikaggregat
5: Kühlvorrichtung
6: Abwärmeübertrager
7: Abgastrakt
8: Niederdruckbehälter
9: Gasdruckspeicher
10: Druckleitung
11: Erster Hochdruckbehälter
12: Zweiter Hochdruckbehälter
13: Hydraulikflüssigkeit
14: Hydraulikleitung
15: Arbeitsfluid
16: Ventil
17: Abtriebsseite
18: Kühlkreislauf
19, 20, 21: Pfeil
22, 23, 24: Pfeil
25: Kühlmittel

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

DE 102007034025 A1 [0007]
WO 96/34213 [0008]

Claims

Hybridantriebsstrang (1) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine Brennkraftmaschine (2) sowie einen Hydraulikmotor und eine Hydraulikpumpe oder ein alternierend als Hydraulikmotor und/oder Hydraulikpumpe betreibbares Hydraulikaggregat (4), eine Kühlvorrichtung (5) und einen Abwärmeübertrager (6) zur Rückgewinnung thermischer Verlustenergie der Brennkraftmaschine (2), insbesondere aus einem Abgastrakt (7) der Brennkraftmaschine (2), einen Niederdruckbehälter (8) sowie einen Gasdruckspeicher (9) bestehend aus zwei miteinander über eine Druckleitung (10) verbundenen Hochdruckbehältern (11, 12), wobei der Hydraulikmotor und/oder die Hydraulikpumpe oder das Hydraulikaggregat (4) mit dem Niederdruckbehälter (8) sowie einem ersten Hochdruckbehälter (11) des Gasdruckspeichers (9) jeweils über zumindest eine eine Hydraulikflüssigkeit (13) aufweisende Hydraulikleitung (14) in Verbindung stehen und der erste Hochdruckbehälter (11) zumindest teilweise mit der Hydraulikflüssigkeit (13) befüllbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hochdruckbehälter (11) mittels der Kühlvorrichtung (5) kontinuierlich kühlbar und der zweite, ein kompressibles Arbeitsfluid (15) aufnehmende Hochdruckbehälter (12) mittels des Abwärmeübertragers (6) kontinuierlich beheizbar ist.
Hybridantriebsstrang (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hochdruckbehälter (11) Hydraulikflüssigkeit (13) und/oder das kompressible Arbeitsfluid (15) und/oder der zweite Hochdruckbehälter (12) ausschließlich das kompressible Arbeitsfluid (15) enthält.
Hybridantriebsstrang (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Hochdruckbehälter (11) und dem zweiten Hochdruckbehälter (12) ein Zwischenspeicher (3) für thermische Energie angeordnet ist, welcher beim Übergang des kompressiblen Arbeitsfluids (15) zwischen den Hochdruckbehältern (11, 12) thermische Energie aus dem Arbeitsfluid (15) aufnimmt und/oder thermische Energie an das Arbeitsfluid (15) abgibt.
Hybridantriebsstrang (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des zweiten Hochdruckbehälters (11) geringer ist als das Volumen des ersten Hochdruckbehälters (12).
Hybridantriebsstrang (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Abgastraktes (7) der Brennkraftmaschine (2) stromaufwärts des Abwärmeübertragers (6) ein Ventil (16) angeordnet ist, mittels welchem die Zufuhr von Abgas zum Abwärmeübertrager (6) unterbrechbar ist.
Hybridantriebsstrang (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (5) Bestandteil eines Kühlkreislaufes (18) der Brennkraftmaschine (2) ist.
Hybridantriebsstrang (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Hochdruckbehälter (12) eine thermische Isolierung aufweist und/oder die Druckleitung (10) zwischen den Hochdruckbehältern (11, 12) aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht.
Hybridantriebsstrang (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Hochdruckbehälter (11, 12) verbindende Druckleitung (10) ein Verhältnis von Durchmesser zu Länge geringer als oder gleich eins zu fünf oder geringer als oder gleich eins zu zehn aufweist.
Hybridantriebsstrang (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den ersten Hochdruckbehälter (11) und den zweiten Hochdruckbehälter (12) verbindende Druckleitung (10) als eine Pneumatikleitung ausgebildet ist, welche ausschließlich durch das kompressible Arbeitsfluid (15) durchströmt wird.
Hybridantriebsstrang (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kompressible Arbeitsfluid (15) ein Inertgas, insbesondere Stickstoff, ist.