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Wandleraggregat für V erbr ennungskraftma schinen Die Erfindung bezieht
sich auf ein Wandleraggregat für Verbrennungskraftmaschinen mit einer Regeleinrichtung
zum Konstanthalten von Drehzahl und Leistung und'mit einem Energie speicher Verbrauch
und Schadstoffemission von Verbrennungskraftmaschinen hängen von Drehzahl und Belastung
der Motoren ab; so ist es möglich, für Schadstoffemission oder für Verbrauch jeweils
ein Optimum zu finden, d.h. bei einer bestimmten Drehzahl und bei einer bestimmten
Belastung können Schadstoffemission bzw. Verbrauch ein Minimum erreichen.
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Wird eine Verbrennungskraftmaschine unter völlig gleichbleibenden
Betriebsbedingungen betrieben, kann unschwer ein Motor gewählt werden, dessen geringster
Verbrauch genau in dem geforderten
Betriebsbereich liegt; anders
ist der Fall bei Verbrennungskraftmaschinen, die ständig wechselnden Betriebsbereichen
ausgesetzt sind, sei es ständig wechselnden Belastungen, wie z.B. beim Betrieb von
Lichtstromgeneratoren, oder dazu noch ständig wechselnder Drehzahl, wie z.B. im
Fahrzeugbetrieb.
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Es ist bekannt, Fahrzeuge wie z.B. Omnibusse mit einem Hybridantrieb
auszustatten, bei dem ein von einer Batterie als Energiespeicher gespeister Elektromotor
als Fahrmotor bei Fahrten ,-in Stadtkern dient, während ein Di esel-Generator-Aggregat
bei Fahrten in den Außenbezirken den Hauptanteil der Antriebsenergie liefert und
außerdem die Batterie nachlädt. Ferner wird beim Bremsen durch den Fahrmotor Energie
zurückgewonnen und der Batterie zugeführt. Der Dieselmotor dieses bekannten Hybridantriebs
wird mit konstanter Drehzahl betrieben, die mit 2200 U/min so gewählt ist, daß die
Abgas- und Geräuschentwicklung sowie der Kraftstoffverbrauch möglichst gering sind.
Die Hybridanlage wird im übrigen durch eine elektronische Impulssteuerung gesteuert
(nVDI-Nachrichten, 22.in.69, Seiten 14 und 18). Gewisse Nachteile bringt die Verwendung
einer Bleibatterie als Energiespeicher mit sic-h, da diese verhältnismäßig schwer
ist und eine relativ geringe Energiedichte besitzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Wandleraggregat
anzugeben, insbesondere hinsichtlich der Einspeicherung von Leistung im Energiespeicher.
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Ausgehend von einem Wandleraggregat der eingangs genannten Art wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Wandleraggregat ein hydraulisches
System aufweist, in dem eine Drossel vorgesehen ist, die im Bremsbereich betätigbar
ist, sobald der Energiespeicher keine Energie mehr aufnehmen kann.
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Infolge der erfindungsgemäßen Ausbildungsweise ist es möglich, daß
jeweils im Falle von Dauerbremsungen, in dem mehr Energie anfällt, als im Energiespeicher
gespeichert werden kann, diese überschüssige Energie durch die Drossel vernichtet
wird. Hierdurch ergibt sich der wesentliche Vorteil einer insgesamt stufenlosen
Übernahme der bei Bremsvorgängen freigesetzten Fahrzeugenergie durch das Wandleraggregat.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Regulierung
der Stärke der Abbremsung die Drossel mittels der Regeleinrichtung automatisch verstellbar
ist.
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Es besteht aber auch die Möglichkeit, daß die Drossel mittels eines
zugehörigen Dauerbremspedals betätigbar ist.
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Es ist im Rahmen der Erfindung weiterhin vorteilhaft, wenn der Drossel
ein Uberdruckventil im Hydraulikkreislauf des Wandleraggregats vorgeschaltet ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Regelung
zum Konstanthalten von Drehzahl und Leistung teinporär überbrückt wird; in Notsituationen,
z.B. beim Uberholen, oder zum Überbrücken einer temporären Spitzenlast kann somit
das gesamte erfindungsgemäße Wandleraggregat überbrückt werden;
es
ist somit möglich, den Motor bis zu seiner Höchstleistung zu benutzen; allerdings
bewegen sich dann Verbrauch und Schadstoffemission aus den optimalen Bereichen.
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Als Energiespeicher kann im übrigen ein elektrischer Akkumulator,
ein Schwungrad oder ein Druckspeicher verwendet werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dgrgestellt:
In Figuren 1 - 3 ist schematisch das Fahrgestell eines Lastwagens dargestellt, der
mit einem erfindungsgemäßen, hydraulisch wirkenden und mit einem Druckspeicher versehenen
Wndleraggregat arbeitet.
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In Figuren 4 und 5 ist ein erfindungsgemäßes Wandleraggregat gemäß
Figuren 1 und 3 dargestellt, wobei anstelle des Druckspeichers ein Schwungmassenspeicher
vorgesehen ist.
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Ein Verbrennungsmotor 5 treibt über eine Welle 6 das Fahrzeug an;
eine Zapfwelle 7 ist mit der Welle 6 verbunden. Eine Regeleinrichtung 4 vergleicht
die Stellung des Fahrpedals 8 mit der Leistung des im übrigen hinsichtlich seiner
Drehzahl konstantgehaltenen Verbrennungsmotors 5. Produziert der Motor mehr Leistung,
als sie der Stellung des Fahrpedals 8 entspricht, wird über die Regeleinrichtung
4 der Hydroblock 1 derart beeinflußt, daß er über die Zapfwelle 7 9e aberschüssige
Energie entnimmt, in einer
Hydropumpe 9 verbraucht und in das komprimierte
Druckmedium im Hochdruckspeicher 2 speichert.
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Leistet der Motor weniger, als es der Stellung des Gaspedals 8 entspricht,
so wird durch die Regeleinrichtung 4 über die Ventileinheit lo im Hydroblock 1 bewirkt,
daß aus dem Druckspeicher 2 ein Strömungsmittel in die Hydropumpe 9 zurückströmt,
die nunmehr als Hydromotor arbeitet und diese Energie über die Zapfwelle 7 der Hauptwelle
6 zuführt. Der Hydroblock 1 weist über dies einen Niederdruckspeicher 3 auf, der
der Speicherung aber flüssigen Strömungsmittels dient.
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Durch. Verstellen der Hydropumpe 9, beispielsweise der Trommelscheibe
einer Trommelsoheibenpumpe, kann die Fahrtrichtung frei gewählt werden.
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Bei Bremsvorgängen wird die nötige Fahrzeugenergie freigesetzt, die
ebenfalls über die Welle 6 bzw. Zapfwelle 7 in den Druckspeicher 2 eingespeichert
wird.
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Bei Dauerbremsungen fällt mehr Energie an, als gespeichert werden
kann; diese Energie wird durch die Drossel 11 vernichtet. Die Stärke der Abbremsung
wird durch Verstellen der Drossel 11 von der Regeleinrichtung 4 reguliert; die Betätigung
des Bremsvorgangs kann entweder dadurch ein kombiniertes Fahrpedal oder durch ein
eigenes Bremspedal 12 stattfinden. Es ist auch möglich, außerhalb der Regeleinrichtung
4 die Betätigung der Drossel
11 einem eigenen Dauerbremspedal zuzuführen,
das dann betätigt wird, wenn beispielsweise am Armaturenbrett des Fahrzeugs ein
Meßinstrument den Füllzustand des Druckspeichers 2 mit voll anzeigt. Da der Füllzustand
des Druckspeichers 2 der Regeleinrichtung 4 mitgeteilt wird, ist es grundsätzlich
zweckmäßig, das Betätigen des Drosselventils 11 der Regeleinrichtung 4 zu überlassen.
Die Stellung der Pedale 8, 12 wird ständig mittels einer Überwachungseinrichtung
13 mit der Fahrgeschwindigkeit verglichen.
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Anstelle des kompressiblen Mediums im Druckspeicher kann potentielle
Energie des Srömungsmediums auch in einem Federspeicher eingelagert werden, bzw.
in einem Speicher, der durbhdas Eigenfederverhalten seiner Wandung imstande ist,
die durch das Strömungsmittel zugeführte potentielle Energie einzuspeichern.
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Es ist zweckmäßig, an den Kreislauf des Strömungsmittels auch andere
Geräte bzw. Einrichtungen mit anzuschließen, beispielsweise eine Servo-Lenkung.
Es ist aber auch möglich, ein pneumatisches System zu verwenden, wobei in besonders
zweckmäßiger Weise das Brems- und das Antriebssystem miteinander gekoppelt werden
können.
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Man wird normalerweise den Druckspeicher 2 derart auslegen, daß er
die während eines durchschnittlichen Fahrzyklus anfallende Motor- und Bremsenergie
einspeichert und sie auch während dieses
Fahrzyklus zum Beschleunigen
des Fahrzeugs wieder abgibt.
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In diesem Fall kann der Antriebsmotor 2 grundsätzlich unter ständig
gleichbleibenden Betriebsbedingungen betrieben werden.
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Es ist aber auch möglich, die Auslegung des Druckspeichers 2 derart
zu ändern, daß er entweder so groß ist, daß sein Vorrat über einen Fahrzyklus hinaus
ausreicht, um das Fahrzeug.anzutreiben; somit ist es beispielsweise möglich, mit
einem erfindungsgemäßen Fahrzeug in Bauwerke, bzw. Lagerhallen und dergleichen mehr,
mit abgeschaltetem Motor einzufahren. Hierdurch wird in besonders vorteilhafter
Weise die Luftverschmutzung innerhalb geschlossener Räume verhindert, und es ist
nicht nötig, beispielsweise bei einer Verwendung der Erfindung an einem Stapler,
zum Einsatz im Freien einen anderen Stapler verwenden zu müssen als im Einsatz in
geschlossenen Räumen.
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Es ist aber auch möglich, den Druckspeicher 2 kleiner auszulegen,
als es zur Aufnahme der Energie für einen vollen Fahrzyklus nötig wäre; in diesem
Fall würde beispielsweise anfallende Bremsenergie eingespeichert und zu Zeitpunkten
besonderen Bedarfs wieder abgegeben. Hierbei könnte zwar der Antriebsmotor 5 nicht
ständig auf gleichen Betriebsbedingungen gehalten werden, doch dahingehend phlegmatisiert
werden, daß eine Anderung seines Betriebszustandes derart langsam vorgeht, daß eine
Regelungseinrichtung dem Motorzustand derart folgen kann, daß der Motor in seinem
neuen Betriebszustand jeweils wieder mit den zugehörigen optimalen Kennwerten
betrieben
werden kann.
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In Fig. 2 und 3 ist ein Fahrzeugantrieb dargestellt, der unter Verwendung
des erfindungsgemäßen Wandleraggregates auf voll hydraulischem Wege ein Fahrzeug
antreibt; in diesem Fall besteht zwischen Motor 5 und Fahrzeugantriebsachse 6 keine
mechanische Verbindung mehr. Fig. 2 zeigt die Antriebseinrichtung ohne Fig. 3 mit
Steuer und Regelanlage.
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Der Verbrennungsmotor 5 treibt eine Hydropumpe 9a mit konstanter Leistung.
Je nach Bedarf bzw. Fahrzeugstand wird die Leistung der Hydropumpe 9a direkt an
den Hydromotor 9b und somit an die Abtriebswelle 6 abgegeben, oder über das Ventil
lo an den Hochdruckspeicher 2. Der Hydromotor b ist verstellbar, so daß er je nach
Geschwindigkeits- oder Leistungsbedarf verstellt werden kann; es ist auch möglich,
mittels dieses Hydromotors Vor- und Rückläuf zu wählen. Schließlich kann der Hydromotor
9b auch noch auf Leerlauf eingestellt werden. Um den Motor 5 unter ständig gleichen
Betriebsbedingungen zu halten, ist auch die Hydropumpe 9a verstellbar, wobei sie
Je nach den Druckverhältnissen im hydraulischen System derart verstellt wird, daß
ihre Drehzahl und Leistungsabnahme immer gleichbleibt.
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Im hydraulischen Kreis ist dem Hydromotor 9b ein Sperrventil 16 vor-
oder nachgeschaltet, das einen Fluß von Druckmedium durch den Motor 9b vollkommen
unterbindet und das somit als Feststellbremse dient.
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Wie in Fig. 1 ist auch hier eine verstellbare Drossel 11 vorgesehen,
die im Bremsbereich durch ein Überdruckventil I7 automatisch beaufschlagt wird,
wenn der Druck im Hochdruckspeicher 2 sein Maximum erreicht hat und somit anzeigt,
daß der Hochdruckspeicher 2 gefüllt ist.
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Ferner ist die Drossel 11 über eine Steuer- oder Kommandoleitung mit
der Regeleinrichtung 4 verbunden.
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Mit der Hydropumpe 9 kann eine Pumpe 18 verbunden sein, die ein Druckmedium
fördert, das den verschiedenartigen Zwecken dienen kann, wie beispielsweise Fahrzeug-Servoeinrichtungen,
Bremsen usw.
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In besonders zweckmäßiger Weise aber dient die Pumpe 18 zum Fördern
eines Druckmediums, das zum Betrieb der Regel- oder Steuereinrichtung 4 verwendet
werden kann; diese Regeleinrichtung 4 kann pneumatisch, hydraulisch und/oder elektonisch
betrieben werden.
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Mit der Regeleinrichtung 4 ist ein Fahrtrichtungswähler 14, das Fahrpedal
8, das Bremspedal 12 und ein Füllstandsanzeiger 15 verbunden, der die Druckverhältnisse
im hydraulischen System bzw.
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den Hochdruckspeicher und somit seinen Füllzustand anzeigt. Ferner
sind mit der Regeleinrichtung 4 noch der Verbrennungsmotor 5, die Hydropumpe 9a
und der Hydromotor 9b über Signal- oder Stelleitungen verbunden, ebenso wie das
Ventil lo, das die Druckanzeige für den Hochdruckspeicher 2 liefert und das bei
Energiebedarf Druckmedium aus dem Hochdruckspeicher 2 in das hydraulische System
austreten läßt.
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In Figur 4 ist ein erfindungsgemäßes Wandleraggregat mit Energiespeicher,
ähnlich Figur 1 dargestellt; es unterscheidet sich im wesentlichen von Figur l dadurch,
daß als Energiespeicher ein Schwungmassenspeicher 20 verwendet wird. Hierbei wird
von der Antriebswelle 6 über eine Zapfwelle 7 eine hydraulisch verstellbare Pumpe
bzw. ein Verstellmotor 9 betrieben, der mit einem Verstellmotor bzw. einer Verstellpumpe
19 durch einen Kreislauf verbunden ist. Der Verstellmotor 19 ist über eine Welle
und gegebenenfalls über ein Übersetzungsgetriebe mit dem Schwungmassenspeicher 20
verbunden. Das hydraulische System wiest im wesentlichen zwei Verbindungsleitungen
auf, die jeweils in eine der beiden Pumpen bzw.
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Motoren 9 und 19 münden und somit einen Kreislauf herstellen. Beide
Zweige dieses Kreislaufs sind jeweils über ein Ventil 21a, 21b mit dem Ausgleichsbehälter
3 verbunden. Zwischen beiden Zweigen des hydraulischen Systems kann über das Ventil
17 und über die verstellbare Drossel 11 eine Verbindung hergestellt werden. Wird
durch die Zapfwelle 7 überflüssige Energie an die hydraulische Pumpe 9 abgegeben,
dann fördert die über den (in der Zeichnung oberen) Ast des hydraulischen Systems
Druckmedium an den Hydromotor 19, der seinerseits die ihm eingebrachte Energie an
den Schwungradspeicher 20 abgibt. Entspanntes hydraulisches Druckmedium fließt über
den anderen Zweig (in der Zeichnung den unteren) zurück zur Hydropumpe 9 Der Niederdruckzweig
ist hierbei über das geöffnete Ventil 21b mit dem Ausgleichsbehälter 3 verbunden.
Die Hochdruckseite des hydraulischen Systems ist vom Niederdruckbehälter 3 getrennt,
da in diesem Fall das Ventil 21a geschlossen ist.
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Kann der Schwungmassenspeicher 20 keine Energie mehr aufnehmen, wie
beispielsweise im Fall einer Dauerbremsung, dann öffnet das Ventil 17 und die überschüssige
Energie wird durch die Verstelldrossel 11 vernichtet. Hierbei wird der Hydromotor
19 auf Leerlaufstellung gebracht, so daß er keine weitere Energie an den Schwungmassenspeicher
20 abgibt. Auch in diesem Fall bleibt das Ventil 21b geöffnet, während das Ventil
21a geschlossen ist.
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Wird von der erfindungsgemäßen Wandlereinrichtung Energie abgegeben,
dann treibt der Schwungmassenspeicher 20 über den als Pumpe wirkenden Hydromotor
19 die als Motor wirkende Hydropumpe 9, wobei der zweite der beiden Äste (in der
Zeichnung der untere) des hydraulischen Systems das unter Druck befindliche Medium
transportiert, während der andere (in der Zeichnung der obere) das entspannte Medium
zum Antrieb 19 zurückführt. Hierbei wird die dem Schwungmassenspeicher 20 entnommene
Energie von der als Hydromotor arbeitenden Pumpe 9 an die Zapfwelle 7 abgegeben.
Während dieses Vorgangs wird das Ventil 21b geschlossen, während das Ventil Sia
geöffnet ist und über den Ausgleichsbehälter 3 einen Ausgleich zum Niederdruckteil
des hydraulischen Systems herstellt.
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Die Steuerung bzw. Regelung des erfindungsgemäßen Wandleraggregats
erfolgt analog zu den in Fig. 1 bzw. 2 beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Die Fig. 5 zeigt analog zu Fig. 2 einen vollhydraulischen Antrieb,
bei dem aber anstelle des Druckspeichers 2 eine Speichereinrichtung mit einem Schwungmassenspeicher
20 verwendet wird, wie sie in Fig.4 dargestellt ist. Hierbei wird von der Regelungseinrichtung
4 über Steuerleitungen anstelle des Drucks am Schwungmassenspeicher 20 die Drehzahl
abgenommen. Anstelle des Ventils lo wird der Hydromotor bzw. die Hydropumpe 19 ebenfalls
über eine Steuerleitung betätigt.