DE2933542B2

DE2933542B2 - Hybrid-Energiesystem

Info

Publication number: DE2933542B2
Application number: DE2933542A
Authority: DE
Inventors: Yves Jean Birmingham Mich. Kemper (V.St.A.)
Original assignee: Vadetec Corp Troy Mich (vsta)
Current assignee: Vadetec Corp Troy Mich (vsta)
Priority date: 1978-09-01
Filing date: 1979-08-18
Publication date: 1981-02-26
Also published as: AU535192B2; DE2933542C3; SE7907046L; BR7905615A; GB2031822B; DE2933542A1; IT1192781B; IT7968731A0; CA1115218A; NL7906521A; FR2434935A1; AU5016579A; GB2031822A

Description

Die Erfindung betrifft ein Hybrid-Energiesystem mit einem Antriebsmotor und einer energiespeichernden Schwungmasse zum Antrieb einer Trägheitslast, insbesondere eines Fahrzeuges, und mit einer Einrichtung zum Steuern von Antriebsmotor und Schwungmasse. Bei einem bekannten Hybrid-Energiesystem dieser Art (US-PS 38 70 116) ist die Schwungmasse zusätzlich zu der in üblicher Weise unmittelbar mit dem Antriebsmotor verbundenen Kurbelwellen-Schwungmasse vorgesehen.

Infolge des gegenwärtigen Nachdrucks in bezug auf Brennstoffeinsparung ist es eine allgemein bekannte Tatsache, daß der Brennstoffverbrauch eines Fahrzeugs unter Stadtfahrbedingungen erheblich größer ist als unter Autobahnfahrbedingungen. Die Gründe hierfür sind allgemein bekannt und primär das Ergebnis von Energieverlusten beim Verzögern und Anhalten eines Fahrzeugs im Stadtverkehr, eines Leerlaufbetriebs des Motors, während das Fahrzeug steht, und eines Betriebs für einen hohen Prozentsatz der gefahrenen Entfernung bei Motordrehzahlen, welche über den Drehzahlen liegen, bei welchen der Motorwirkungsgrad optimal ist.

Es sind Hybrid-Energiesysteme bekannt, mit welchen der Brennstoffverbrauch eines Fahrzeugmotors, insbesondere unter Stadtfahrbedingungen, wesentlich erniedrigt werden kann durch Speicherung der kinetischen Energie des Fahrzeugimpulses oder der zur Verfügung stehenden negativen Energie während einer Verzögerung z. B. in einem Schwungrad und Verwendung der gespeicherten Energie als Hilfsenergiequelle, wie erforderlich, um die Energieanforderungen an den Antriebsmotor zu verringern. Bei solchen System kann außerdem überschüssige Energie, die vom Motor erzeugt wird, wenn er bei verbesserten Wirkungsgraden betrieben wird, zum Schwungrad für nachfolgenden Gebrauch abgeleitet werden. Darüber hinaus kann der brennstoffverbrauchende Motor des Systems abgeschaltet werden, wenn das Fahrzeug steht, und die im Schwungrad gespeicherte Energie kann sowohl zur Anfangsbeschleunigung des Fahrzeugs aus dem Stand als auch zum Wiederstarter des Motors verwendet werden.

Erhebliche Verringerungen des Brennstoffverbrauchs und der Emission von Luftverunreinigungsstoffen unter Stadtfahrbedingungen können mit einem Hybrid-System verwirklicht werden, das ein relativ einfaches Schwungrad verwendet, z. B. eine Stahlscheibe, welche

ίο einige Zentimeter dick und einen Durchmesser von 40 bis 50 cm aufweist und mit Spitzendrehzahlen in der Größenordnung der maximalen Motordrehzahlen gedreht wird.

Ein Schwungrad dieser Art weist eine Speicherkapazität für kinetische Energie auf, die nicht nur zum Antrieb eines konventionellen Fahrzeugs für begrenzte Zeitabschnitte, sondern vielleicht noch wichtiger für die Zufuhr von Energie, welche für den kontinuierlichen Betrieb von Einsatzeinrichtungen wie Servobremsen, Servolenkung, Klimaanlage und dergleichen, während der brennstoffverbrauchende Antriebsmotor des Hybrid-Systems abgeschaltet ist, angemessen ist.

Im Hybrid-Energiesystem wir normalerweise eine bestimmte Form eines stufenlos veränderbaren Getriebes verwendet, um die Drehzahlen des Schwungrades, des Antriebsmotors und der z. B. durch sine Fahrzeugantriebswelle repräsentierten Last in Beziehung zu setzen. Während in der Vergangenheit das stufenlos veränderbare Getriebe ein schwaches Glied in Hybrid-Energiesystemen gewesen ist, sind solche Getriebe bis zu einem Stand entwickelt worden, in welchem Energie, die über die in den Fahrzeugmotoren erzeugte Energie hinausgeht, mit hohen Wirkungsgraden übertragen werden kann mit stufenlos veränderbaren Ausgangs/Eingangs- Drehzahlverhältnissen in einem weiten bis auf Null sich erstreckenden Bereich. Solche Getriebe sind z. B. in den DE-AS 25 33 475 und 26 34 244 beschrieben. Der Stand der Technik in bezug auf stufenlos einstellbare Getriebe schafft daher die Möglichkeit für umfassend einsetzbare Hybrid-Energiesysteme, mit welchen die bekannten Energieeinsparungseigenschaften solcher Systeme verwirklicht werden können.

Um sich Autobahnfahrbedingungen anpassen zu können, sollte die Energie- bzw. Antriebskette eines Fahrzeugs eine direkte Antriebsverbindung des antriebsmotors und der Last oder des Antriebsrades aufweisen können. In früheren Hybrid-Systemen hat man Autobahnfahrbedingungen durch Auskupplung des energiespeichernden Schwungrades aus der Antriebskette (vgl. z. B. Scott, David »Flywheel Transmission Has Variable-Speed Gear« Automative Engineering, März 1977, S. 18-19 und US-PS 36 72 244) und durch vollständiges Parallelschalten des Schwungrades und der Komponenten des stufenlos veränderbaren Getriebes zur unmittelbaren Energieübertragung zur Last (z. B. US-PS 38 70 116) entsprochen.

Obwohl die Energieeinsparungsmöglichkeiten und die Betriebsanforderungen von Hybrid-Energiesystemen im Stand der Technik erkannt worden sind, sind die Antriebskettenanforderungen der bisher vorgeschlagenen Hybrid-Systeme komplex gewesen in bezug auf erforderliche Steuerungen und Komponentenzusammensetzung, Raumbedarf im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugantriebsketten und eine mögliche zusätzliche Quelle mechanischen Versagens über diejenige, welche bereits in einer konventionellen Antriebskette besteht. Die Kombination dieser verschiedenen Fakto-

ren hat die Fachwelt u. a. primär davor abgeschreckt solche Hybrid-Energiesysteme in der Praxis zu verwenden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Unzulänglichkeiten der bekannten Hybrid-Energiesysteme zu vermeiden und tin Hybrid-Energiesystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, das konstruktiv einfach aufgebaut ist und insbesondere durch eine möglichst geringe Anzahl von zu bewegenden Massen einen guten Wirkungsgrad aufweist

Diese Aufgabe wird bei einem Hybrid-Energiesystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst daß die energiespeichernde Schwungmasse gleichzeitig die Kurbelwellen-Schwungmasse ist Durch die erfindungsgemäße Einsparung einer gesonderten Kurbelwellen-Schwungmasse wird ein konstruktiv einfacher Aufbau des Hybrid-Energiesystems mit einem guten Wirkungsgrad erzielt

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hybrid-Energiesystems sind in den Unteransprüchen angeführt Wesentliche Merkmale der Unteransprüche 2 und 4 sind an sich aus der DE-PS 25 33 475 bekannt. Die aus der US-PS 38 70116 bekannte zusätzliche Antriebskette, die im Oberbegriff des Unteranspruchs 3 gewürdigt worden ist treibt keine Zusatzeinrichtungen an.

Da das Schwungrad sowohl als Kuroelwellenschwungrad als auch als Schwungrad zur Speicherung kinetischer Energie funktioniert ist das Schwungrad während des energieerzeugenden Motorbetriebs immer mit dem Motor verbunden. Während einer Lastverzögerung oder eines Laststillstandes ist das Schwungrad entweder vollständig außer Eingriff oder teilweise in Eingriff mit der Motorwelle, wobei der Motor entweder J5 abgeschaltet oder mit niedrigen Drehzahlen dreht, während die Brennstoffzufuhr entweder unter ein Niveau reduziert wird, das erforderlich ist, um einen durch Brennstoff erzeugten Motorleerlaufbetrieb aufrechtzuerhalten, oder vollständig abgeschaltet wird. Ein solches Druchdrehen des Motors mit geringer Drehzahl mit geringem oder gar keinem Brennstoffverbrauch dient dazu, die Kontinuität der vom Motor angetriebenen Zusatzeinrichtungen wie z. B. Schmierpumpe, Elektrogenerator und andere Leistungszusatzeinrichtungen wie Servobremsen, Servolenkung, Klimaanlage und dergleichen, aufrechtzuerhalten. Alternativ hierzu können solche Zusatzeinrichtungen derail angeordnet sein, um direkt vom Schwungrad angetrieben zu werden, wobei der Motor vorzugsweise vollständig abgeschaltet wird.

Im Nachfolgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung verschiedener mechanischer Komponenten des Hydrid-Energiesystems der vorliegenden Erfindung in Beziehung zu Meß- und Steuerfunktionen, die in Blockform dargestellt sind,

F i g. 2a und 2b in Abschnitte unterteilte Längsquerschnitte durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Antriebskettenaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung,

F i g. 3 einen schematischen Querschnitt, welcher das Zusammenwirken der Zahnräder zeigt, welche in der in F i g. 2 gezeigten Getriebeeinheit vorgesehen sind,

F i g. 4 graphische Darstellungen, in welchen quantitative Werte verschiedener Parameter als Ordinaten gegen eine gemeinsame Abszisse aufgezeichnet sind,

F i g. 5 eine schematische Darstellung von Bauteilen einer abgeänderten Ajsführungsform der Erfindung und

F i g. 6 eine ähnliche sch ema* ί sehe Darstellung einer anderen abgeänderten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 sind die Funktionsbestandteile eines Hybrid-Energiesystems schematisch gezeigt um das Verständnis der in Wechselbeziehung stehenden Arbeits- und Steuerbestandteile sowie des Betriebs des gesamten Systems zu erleichtern. In F i g. 1 ist ein Antriebsmotor 10 gezeigt mit einer Motor- bzw. Antriebswelle 12, welche lösbar mit Hilfe einer Reibungskupplung 14 mit einer Schwungmasse bzw. einem Schwungrad 16 verbunden ist das mit einer Eingangswelle 18 einer Getriebeeinheit 20 veränderbarer Drehzahl, vorzugsweise einer stufenlos veränderbaren Getriebeeinheit bekannter Bauart drehbar ist und im vorliegenden Fall von dieser getragen wird. Eine Ausgangswel'e 22 der Getriebeeinheit 20 mit veränderbarer Drehzahl ist über eine Betriebsart-Steuereinheit bzw. -Steuereinrichtung 24 mit einer lastantreibenden Welle 26 verbunden, die über ein konventionelles Differentialgetriebe (nicht gezeigt) mit Antriebsrädern 28 eines Fahrzeug.;, das durch das System angetrieben werden roll, verbunden ist. Wie im einzelnen noch beschrieben wird, weist die Getriebeeinheit 20 zusätzlich eine Direktantriebswelle 30 auf, die in F i g. 1 gestrichelt dargestellt ist und sich von der Eingangswelle 18 zur Betriebsart-Steuereinheit 24 erstreckt. Wie aus der nachfolgenden Beschreibung noch klarer hervorgeht, sind die Kupplung 14, das Schwungrad 16, die Getriebeeinheit 20 und die Betriebsart-Steuereinheit 24 Bestandteile eines Antriebsketten- bzw. Kraftübertragungsaufbaus 32, welcher in F i g. 1 durch das gestrichelte Rechteck, welches diese Bestandteile umgibt, dargestellt ist.

Es wird angemerkt, daß, obwohl die Ausführungsform des Hybrid-Energiesystems, welche in der schematischen Darstellung gemäß F i g. 1 illustriert und im nachfolgenden im einzelnen beschrieben ist, als Fahrzeugenergie- bzw. Fahrzeugantriebssystem dargestellt ist, bei welchem die Last durch Antriebsräder 28 des angetriebenen Fahrzeugs dargestellt ist, das System ebenfalls auf andere Trägheitslasten oder Lasten anwendbar ist, welche Energie zur Beschleunigung benötigen und welche einen Trägheitsimpuls während einer Verzögerung zeigen. Während der Antriebsmotor in Fig. 1 als Otto-Motor mit Vergaser (vergaster Zünder-Motor) dargestellt ist, können andere Formen des Antriebsmotors verwendet und vom Standpunkt der Erzielung eines optimierten Systembetriebes bevorzugt werden. Das vorliegende System ist besonders nützlich mit Otto-Motoren mit Benzineinspritzung, Dieselmotoren, Sterlin-Motoren und anderen Antriebsmotoren, welche eine Folge von diskreten Energie- bzw. Antriebsimpulsen in einen kontinuierlichen Drehausgang oder eine Antriebswellenbewegung umwandeln. In dieser Hinsicht wird angemerkt daß der Motor 10 eine Kurbelwelle 34 aufweist und daß die Antriebswelle 12 eine direkte Verlängerung der Kurbelwelle darstellt. Die Gestaltung der Kurbelwelle 34 und der Antriebswelle 12 erfolgt was noch wichtiger ist, ohne das herkömmliche Kurbelwellenschwungrad oder andere zusätzliche Trägheitsbestandteile, durch welche bei Abwesenheit einer Hilfsquelle kinetischer Energie die Kontinuität und Glätte der Drehung der Antriebswelle 12 aufrechterhalten wird.

Unabhängig vom besonderen Typ des Motors, der als Antriebsmotor 10 verwendet wird, weist dieser eine Zufuhr potentieller Energie auf, welche durch eine Brennstoffversorgungseinrichtung 36 dargestellt wird, von welcher Brennstroff zum Antriebsmotor unter der Kontrolle einer Drossel 38 im Normalbetrieb bei Drehzahlen gefördert wird, welche von Leerlaufdrehzahlen mit einer im wesentlichen geschlossenen Drossel zu maximalen Drehzahlen mit weit offener Drossel variieren. Die Zufuhr potentieller Energie oder des Brennstoff wird zusätzlich reguliert für eine vollständige Abschaltung oder eine Reduzierung auf Zufuhrniveaus, die kleiner sind, als sie für den Antriebsmotorbetrieb unter Verwendung von ausschließlicher potentieller Energie oder Brennstoff erforderlich sind. Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Ventil 40 in Reihe zwischen einer Brennstoffversorgung und dem Antriebsmotor stromaufwärts von der Drossel 38 vorgesehen, so daß die Brennstoffzufuhr zum Antriebsmotor 10 durch Schließen des Ventils 40 abgeschaltet oder auf ein Niveau reduziert werden kann, das kleiner als die kleinste Drosseleinstellung ist. Es wird angemerkt, daß bei einigen Motoren, wie z. B. mit einem elektronischen Brennstoffeinspritzsystem ausgerüstet ist, die Funktion des Ventils 40 durch die gleiche Vorrichtung erfüllt werden kann, welche für die Regelung der Brennstoffzufuhr zum Motor benutzt wird, um die vom Motor erzeugte Energie zu steuern. Brennstoffeinspritzsysteme werden aufgrund der erhöhten Genauigkeit der Brennstoffzufuhr und der größeren Nähe der Brennstoffströmungsregulierung zu den Verbrennungs- oder Arbeitskammern im Vergleich zu der Förderung vergasten Brennstoffe bevorzugt. Die Drossel 38 und das Ventil 40 sind daher nur Beispiele einer besonderen Einrichtung zur Verringerung oder Abschaltung der Brennstoffversorgung 36 an der drehzahlsteuernden Drossel. Zusätzlich ist ein Zündungsschalter 42 vorgesehen für den Fall eines Otto-Motors oder das Äquivalent eines solchen Zündungsschalters, das für den Einschalt- und Ausschaltvorgang des Motors vorgesehen ist.

Die soweit im allgemeinen unter Bezugnahme auf F i g. 1 beschriebenen Betriebsbestandteile werden durch ein Steuersystem betätigt, das in Blockdiagrammform illustriert ist mit einem elektronischen Rechner 44 zur Verarbeitung von Fahrer- und Systemeingangssignalen zur Entwicklung geeigneter Steuerausgangssignale. Die Fahrereingänge weisen insbesondere einen Hauptschalter 46, eine Richtungssteuereinrichtung 48, ein Gaspedal 50 und ein Bremspedal 52 auf. Systemfunktionen, welche überwacht werden, sind die Motordrehzahl ψ, die Schwungrad- und Getriebeeingangsdrejizahl x, die veränderbare Getriebeausgangsdrehzahl Θ, die Betriebsart der Einheit 24 und das Reaktionsmoment des Getriebes 20. Vom Rechner 44 überwachte, einsteilbare Parameter umfassen den Zündungsschalter 42, die Motordrossel 38 oder eine andere Steuereinrichtung der Motordrehzahl, die Kupplung 14, das Drehzahlverhältnis des stufenlos veränderbaren Getriebes 20 und die Betriebsart-Steuereinrichtung 24. Obwohl Einzelheiten des Überwachungs- und Steuersystems, weiche über die Blockdarstellung der F i g. 1 hinausgehen, nicht gezeigt sind, sind solche computerisierten Systeme allgemein bekannt und dem Computerdurchschnittsfachmann geläufig, wenn die gewünschten Betriebseigenschaften, die erzielt werden sollen, gegeben sind.

Der Kxaftübertragungs- bzw. Antriebskettenaufbau

32 ist klarer in den Fig.2a und 2b illustriert. Die Bestandteile des Aufbaus sind innerhalb eines einzigen Gehäuses 54 mit einem sich nach außen erweiternden Frontabschnitt 56 untergebracht, der mit dem Motor 10 ^r, festgeschraubt oder anderweitig befestigt ist in einer im wesentlichen gleichen Art und Weise wie bei einem herkömmlichen Fahrzeuggetriebe. Dieser Abschnitt des Gehäuses 54 enthält das Schwungrad 16 und die Kupplung 14. Der mittlere Abschnitt des Gehäuses

iü nimmt die stufenlos veränderbare Getriebeeinheit 20 auf und dient als Gehäusekomponente dieser Einheit, wohingegen ein Endgehäusebestandteil 58 die Betriebsart-Steuereinrichtung 24 aufnimmt und an dem mittleren Abschnitt des Gehäuses 54 z. B. mittels Schrauben 60 befestigt ist.

Wie in Fig.2a gezeigt ist, ist das Ende der Motorbzw. Antriebswelle 12 mit einem Flansch versehen, um eine Kupplungsscheibennabe 62 zu montieren, welche ihrerseits kerbverzahnt ist, um eine axial bewegliche, leichtgewichtige Kupplungsscheibe 64 aufzunehmen. Die Scheibe 64 erstreckt sich nach außen, um zwischen einem axial festgelegten Widerlagerring 66 und- einem axial einstellbaren Druckkissenring 68 positioniert zu werden, welche beide direkt vom Schwungrad 16 getragen werden. Der einstellbare Ring 68 wird durch eine Reihe von Druckfedern 69 in Eingriff mit der Scheibe 64 und dem Widerlager 66 vorgespannt, wodurch die Scheibe 64 und damit die Welle 12 mit dem Schwungrad 16 verbunden wird. Der einstellbare Ring

jn 68 wird von Bolzen 70 getragen, die sich zu einem ringförmigen Kolben 72 erstrecken, der in einer ringförmigen Kammer 74, welche ebenfalls im Schwungrad 16 vorgesehen ist, bewegbar ist. Druckströmungsmittel in einem Durchlaßkanal 76 bewirken ein Zurückziehen des Ringes (58 gegen die Vorspannung der Druckfedern 69.

Im Licht des Vorhergehenden wird angemerkt, daß die Kupplung 14 eine konventionelle Reibungskupplung ist, welche in Abwesenheit von Strömungsmitteldruck, der eine Bewegung des ringförmigen Kolbens gegen die Vorspannung der Federn 69 bewirkt, eine vollständige Kupplung der Welle 12 mit dem Schwungrad 16 bewirkt. Die Welle 12 wird vollständig vom Schwungrad 16 entkoppelt, wenn der auf den ringförmigen Kolben

-,5 72 wirkende Strömungsmitteldruck den Ring 68 zurückzieht weg von der Scheibe 64. Darüber hinaus kann eine geeignete Einstellung des auf den ringförmigen Kolben 72 wirkenden Strömungsmitteldruckes einen Bereich von Zwischenkupplungsbedingungen in der Kupplung 14 bewirken, unter welchen ein begrenztes Drehmoment zwischen der Welle 12 und dem Schwungrad 16 übertragen werden kann, unabhängig von den relativen Drehzahlen dieser Bauteile. Wie ebenfalls in Fig.2a gezeigt ist, ist das Schwungrad rotationsmäßig getrennt von der Welle 12 und der Nabe 62 durch Rollenlager 78 und direkt mit der Eingangswelle 18 der stufenlos veränderbaren Getriebeeinheit 20 kerbverzahnt oder anderweitig rotationsmäßig direkt verbunden.

to Wie aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgeht, kann die genaue Form der Getriebeeinheit 20 sowie der Betriebsart-Steuereinheit 24 erheblich von der in den F i g. 2a und 2b dargestellten Form abweichen. Der Getriebeaufbau weist hier als Gehäuse den mittleren

b5 Abschnitt des Gehäuses 54 und ein Paar von querverlaufenden Wandbauteilen auf, in welchem ein drehbarer Anlaßkörper 82 für eine Drehung um eine erste Achse 87 in Lagern 84 und 86 gelagert ist Ein

Nutations- bzw. Taumelkörper 90 wird vom Anlaßkörper 82 durch Lager 92 und 94 drehbar um eine zweite Achse % unterstützt, welche in bezug auf die erste Achse 87 um einen Winkel λ geneigt ist. Der Körper 90 weist eine Trägerwelle 98 auf, auf der ein Paar von ■> kegelförmigen Bauteilen 100 und 102 für eine relative Axialbewegung längs der zweiten Achse 96 und für eine begrenzte Drehung relativ zur Welle 98 gelagert sind. Die kegelförmigen Bauteile 100 und 102 sind auf der Welle 98 durch ein System von Kugelrampen 104 ι ο voneinander beabstandet, das eine Bewegung der kegelförmigen Bauteile 100 und 102 axial voneinander weg bei einer Drehmomentbelastung des Getriebes bewirkt.

Obwohl die kegelförmigen Bauteile 100 und 102 sich i^r> relativ zur Trägerwelle 98 drehen können, sind sie an einer Drehung in bezug auf die Welle 98 für eine gegebene Drehmomentbelastung am Getriebe gehindert als Ergebnis des Kugelrampensystems 104, das mit der Welle 98 fest drehverbunden ist.

Die äußeren Oberflächen der kegelförmigen Bauteile 100 und 102 haben einen veränderlichen Radius R_b und stehen in Reibrolleingriff mit inneren Trieboberflächen mit einem Radius R_w auf einem Paar von Ringen 106 und 108, die in bezug zum Gehäuse 54 gegen Drehung festgelegt sind, aber längs der ersten Achse 87 axial in Richtung auf einen Schnittpunkt Sder Achsen 87 und 96 und von diesem weg unter Steuerung einer elektrisch angetriebenen Steuerschraube 109 bewegbar sind.

Wenn der Anlaßkörper 82 durch ein Drehmoment an der Eingangswelle 18 des Getriebes 20 angetrieben wird, wird der Körper 20 um die Achse 87 in eine Nutations- bzw. Taumelbewegung versetzt, wodurch eine Drehung des Körpers 90 und damit der Welle 98 verursacht wird. Die kombinierte Bewegung der Welle 98 wird durch ein mit der Welle 98 drehverbundenes Kegelzahnrad 110 über ein Zwischenzahnrad 112 (Fig. 3), das vom Anlaßkörper 82 getragen wird, auf ein Kegelzahnrad 114 übertragen, das für eine Drehung mit der veränderlichen Ausgangswelle 22 des Getriebes um die Achse 87 festgekeilt ist. Die Relativbewegung der Zahnräder 110,112 und 114 ergibt sich aus Fig.3. Die jeweiligen Drehzahlen dieser Zahnräder stehen in der nachfolgenden Beziehung:

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In dieser Gleichung ist & die Drehgeschwindigkeit des Getriebeeingangs oder des Anlaßkörpers 82, β die Drehgeschwindigkeit des Taumelkörpers 90 um die Achse 96 in einem ortsfesten Bezugssystem, ω die Drehgeschwindigkeit der Ringe 106 und 108 um die Achse 87 und ρ das Verhältnis der Radien der äußeren kegelförmigen Oberflächen auf den Bauteilen 100 und 102 oder Rt, zu den Radien auf den Trieboberflächen der Ringe 106 und 106 oder R_w (ρ = Rb/RJ). Bei dem besonderen gezeigten Getriebe sind die Ringe 106 und 108 mit dem Gehäuse 54 gegen eine Drehung gesichert, so daß ώ = 0 ist Die allgemeine Gleichung vereinfacht sich daher zu β = & (1 — l/ρ). Wenn darüber hinaus das Verhältnis der Zähneanzahl auf dem Zahnrad 110 zu der Zähneanzahl auf dem Zahnrad 114 gleich k ist, steht die Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl der Ausgangswelle 22 (Θ) zu Jt ρ und α in folgender Beziehung:

Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß die Ausgangsdrehung (Θ) eine Umkehr der Eingangsdrehung (&) ist, wenn die Funktion k/g größer als 1 ist, daß die Ausgangsdrehung gleich Null wird unabhängig von der Eingangsdrehung, wenn k/ρ gleich 1 ist, und daß die Ausgangsdrehung die gleiche Richtung wie die Eingangsdrehung aufweist, wenn Α/ρ kleiner als 1 ist. Wie sich aus der geometrischen Gestaltung des Getriebes 20 in Fig. 2a ergibt, nähert sich der maximale numerische Wert der Funktion ρ oder RbIR_n 1, erreicht I jedoch nicht. Der minimale Wert von ρ, obwohl theoretisch unbegrenzt, hängt von den räumlichen Abmessungen des Getriebes ab und kann in Praxis einen ungefähren numerischen Wert von z. B. 0,4 annehmen. Der numerische Wert von k kann aus einem relativ großen Bereich von numerischen Werten ausgewählt werden, und, wenn dem Maximalwert von ρ, ζ. Β. 0,88, angepaßt, ist der Bereich der Eingangs-/Ausgangsdrehzahl-Verhältnisse des Getriebes unendlich bzw. stufenlos. Darüber hinaus kann eine Richtungsumkehr der Drehung an der Ausgangswelle 22 relativ zur Eingangswelle 18 mit einstellbaren Werten von ρ erzielt werden, welche den numerischen Wert von k umfassen oder sich über und unter diesen Wert erstrecken. Vorzugsweise wird das Getriebe mit A:- und ρ-Werten entworfen, welche mindestens eine Nulldrehung (Θ = 0) der Ausgangswelle unabhängig von der Eingangswellendrehung (&) ermöglichen.

Obwohl, wie angedeutet, die spezielle Konstruktion des Getriebes 20 von der in Fig.2a illustrierten Form abweichen kann, bringt die dargestellte Konstruktion verschiedene Vorteile mit sich, weiche zur Integrität und zum Betrieb des Gesamtsystems beitragen. So schafft die besondere illustrierte Ausführungsform des Getriebes z. B. einen großen Bereich von stufenlos regelbaren Drehzahlverhältnissen und kann Energie in Überschuß zu der von herkömmlichen Fahrzeugmotoren entwikkelten Energie mit hohen Wirkungsgraden übertragen. Die Lager 84 und 86, in welchen der Anlaßkörper 82 drehbar gelagert ist, unterstützen ebenfalls das Schwungrad 16 und schaffen einen erheblichen Hebel, durch welchen Präzessionskräfte, entwickelt durch das Schwungrad, kontrolliert werden können. Darüber hinaus rotiert der Anlaßkörper 82 direkt mit dem Schwungrad 16 und repräsentiert daher selbst eine Speicherkapazität für kinetische Energie, welche diejenige des Schwungrades 16 vergrößert. Wie erwähnt, ermöglicht eine Entwurfsflexibilität in den relativen Größen der Zahnräder 110, 112 und 114 oder ihrer Äquivalente eine Veränderung im Systementwurf einschließlich einer möglichen Eliminierung der Betriebsart-Steuereinheit 24. Dies ist möglich aufgrund der Leichtigkeit, mit welcher das Getriebe 20 zur Handhabung der Betriebsarten »vorwärts«, »neutral« und »rückwärts« entworfen werden kann.

Die Betriebsart-Steuereinrichtung kann als wahlweiser Bestandteil in Abhängigkeit von der besonderen Auslegung der Getriebeeinheit 20 betrachtet werden. Die Betriebsart-Steuereinheit 24 erlaubt eine Auslegung der Getriebeeinheit 20, welche einen weiten Bereich von stufenlos oder kontinuierlich regelbaren Eingangs-/ Ausgangsdrehzahl-Verhältnissen schafft. Sie ermöglicht eine vollständige Entkupplung des Schwungrades 16 sowie des Motors 10 von der lastantreibenden Welle 26, und sie ermöglicht eine direkte Kupplung der Motorantriebswelle 12 mit der Lastantriebswelle 26. Der konstruktive Aufbau, durch welchen diese Eigenschaften erzielt werden, kann der Fig.2b entnommen werden.

Zu Fig.2b wird angemerkt, daß die Ausgangswelle 22 der Getriebeeinheit 20 mit regelbarer Drehzahl eine

Hohlwelle ist, auf welcher ein Sonnenzahnrad 116 festgekeilt oder anderweitig für eine unmittelbare Drehung mit der Welle 22 befestigt ist. Das Sonnenzahnrad 116 kämmt mit einem oder mehreren, vorzugsweise drei Planetenzahnrädern 118, welche auf Achswellen 120 drehbar sind, die von einem Paar von miteinander verbundenen Trägerringen 122 und 124 getragen werden, welche drehbar um die Ausgangswelle 22 mit regelbarer Drehzahl gelagert sind. Bei der offenbarten Ausführungsform sind die Planetenzahnräder 118 Verbindungsplanetenzahnräder, welche sich in kämmender Beziehung zwischen dem Sonnenzahnrad 116 und einem Zahnkranz 126 erstrecken. Der Zahnkranz 126 ist für eine unmittelbare Drehung mit einem Speichenradaufbau 128 fest verbunden, der seinerseits unmittelbar mit der Antriebswelle 26 drehverbunden ist.

Wie aus den oben angeführten Drehzahlverhältnisgleichungen hervorgeht, ist der größte Bereich regelbarer Drehzahlverhältnisse in der Getriebeeinheit 20 vorgesehen, wo die Drehrichtung der Ausgangswelle 22 mit regelbarer Drehzahl entgegengesetzt zur Drehrichtung der Eingangswelle 18 ist. Um eine Direktantriebsverbindung zwischen der Eingangswelle 18 und der Anntriebswelle 26 zu erleichtern, bewirkt in einer Betriebsart »vorwärts« eine Kraftübertragung zwischen der Ausgangswelle 22 mit veränderbarer Drehzahl und der Antriebswelle 26 eine Richtungsumkehr dieser beiden Wellen. Um diese Betriebsart zu schaffen, ist eine Kupplung Cl vorgesehen, durch welche die Trägerringe 122 und 124 an einer Drehung gehindert werden. Hierdurch wird Kraft bzw. Energie vom Sonnenzahnrad 116 und der Ausgangswelle 22 durch die Planetenzahnräder 118 zum Zahnkranz 126 und Speichenrad 128 zur Antriebswelle 26 übertragen. Um eine Betriebsart »rückwärts« zu schaffen, wird die Kupplung CI ausgerückt und eine Kupplung C2 eingerückt, um den Aufbau aus Trägerringen 122,124, Planetenzahnrändern 118 und Sonnenzahnrad 116 als Einheit zu verriegeln.

Bei dieser Betriebsart wird die Antriebswelle 26 direkt von der Ausgangswelle 22 mit veränderbarer Drehzahl angetrieben. Um eine Betriebsart »Direktantrieb« zu schaffen, ist eine dritte Kupplung C3 vorgesehen. In diesem Zusammenhang wird angemerkt, daß die Welle 30, welche sich durch die hohle Ausgangswelle 22 mit regelbarer Drehzahl erstreckt, festgekeilt oder sonst verbunden ist für eine direkte Drehung mit dem Anlaßkörper 82 der Getriebeeinheit 20 (vgl. F i g. 2a) und sich zwischen dem Körper 82 und einer sich nach außen erweiternden Platte 130 erstreckt. Die Platte 130 kann lösbar durch die Kupplung C3 mit dem Speichenradaufbau 128 in Eingriff gebracht werden, derart, da 3, wenn die Kupplung C 3 eingerückt ist, eine direkte Drehmomentübertragungskette zwischen der Eingangswelle 18 der Getriebeeinheit und der Antriebswelle 26 besteht

Eine Betriebsart »neutral« der Betriebsart-Steuereinheit 24 wird durch ausschließliches Einstellen der drei Kupplungen Ci, C2 und C3 in einen ausgerückten Zustand geschaffen. Es wird angemerkt, daß die Kupplungen CX, C2 und C3 wechselweise einrückbar sind in dem Sinne, daß nur eine der drei Kupplungen eingerückt ist, während die anderen beiden ausgerückt sind, um die verschiedenen beschriebenen Betriebsarten zu schaffen.

Im Betrieb des Hybrid-Energiesystems, illustriert in den F i g. 1 —3, und unter der Annahme, daß alle Bestandteile im Ruhezustand sind, ist die Betriebsart-Steuereinheit 24 in einem »neutralen« Zustand und die Kupplung 14 durch die Druckfedern 69 in einem eingerückten Zustand. Der Motor 10 wird in herkömmlicher Weise durch Betätigung des Hauptschalters 46, Verschließen des Zündungsschalters 42 und Erregung eines elektrischen Anlassermotors (nicht gezeigt), welcher in Triebverbindung mit dem Schwungrad 16 steht, gestartet. Die Drehung des Schwungrades dreht den Motor 10 durch, um diesen in herkömmlicher Weise

ίο in Gang zu setzen. Es wird angemerkt, daß in diesem Betriebszustand das Schwungrad 16 in der gleichen Weise arbeitet wie ein herkömmliches Kurbelwellenschwungrad. Eine Beschleunigung des Fahrzeuges oder einer anderen durch das System abzutreibenden Last wird erreicht durch Niederdrücken des Gaspedals 50, wodurch mit Hilfe der Steuerung des Rechners 44 die Betriebsart-Steuereinrichtung derart eingestellt wird, daß die Kupplung Cl eingerückt ist, und wodurch zur gleichen Zeit die Motordrehzahl durch Steuerung der Drossel 38 reguliert und das Drehzahlverhältnis der Getriebeeinheit 20 mit stufenlos regelbarer Drehzahl eingestellt wird, um die Antriebswelle 26 und die Antriebsräder 28 zu beschleunigen. In diesem Zusammenhang wird angemerkt, daß, während das Getriebe mit regelbarer Drehzahl in der gleichen Weise wie ein herkömmliches Fahrzeuggetriebe eingestellt werden kann, um die Drehzahl- und Drehmomentkomponenten der für eine gegebene Beschleunigungsrate erforderlichen Leistung in Beziehung zu setzen, dies um so wirksamer erfolgt als Ergebnis des kontinuierlich oder stufenlos regelbaren Verhältnisses, welches in der Getriebeeinheit 20 zur Verfügung steht. Demgemäß kann die Brennstoffzufuhr zum Motor 10 und die Getriebeeinheit 20 eingestellt werden, um den brennstoffverbrauchenden Motorbetrieb zu optimieren. Der Antrieb des Fahrzeugs bei konstant niedrigen oder mittleren Drehzahlen, weicher einen kraft- bzw. energieerzeugenden Betrieb des Motors 10 erfordert, wird ähnlich in dieser Weise ausgeführt. Es wird jedoch angemerkt, daß zu allen Zeiten während des energieerzeugenden Betriebs des Motors 10 die Kupplung 14 sich in voll eingerücktem Zustand befindet, um das Schwungrad 16 und die Kurbelwelle 34 des Motors 10 zu verbinden.

Eine Verzögerung des Fahrzeugs oder der Last kann entweder mit oder ohne Nutzbremsung oder Speicherung der kinetischen Energie im Schwungrad 16 und den mit diesem drehbaren Bestandteilen des stufenlos regelbaren Getriebes 20 erfolgen. Wenn vorausgesetzt wird, daß sich das Schwungrad 16 mit einer geringeren als seiner maximal zulässigen Drehzahl dreht und daß es wünschenswert ist, das Fahrzeug mit einer höheren Varzögerungsgeschwindigkeit abzubremsen als dies durch Freilauf geschehen würde, wird das Bremspedal 52 niedergedrückt, wodurch die Kupplung 14 entweder teilweise oder vollständig ausgerückt und die stufenlos regelbare Getriebeeinheit 20 runtergeschaltet wird. Unter dieser Bedingung würde die Energie des Fahrzeugimpulses durch Erhöhung der Drehzahl des Schwungrades 16 absorbiert oder gespeichert Der energieerzeugende Betrieb des Motors wird während einer solchen Verzögerung aufgehoben durch öffnen des Zündungsschalters 42 und Schließen des Ventils 40 für einen solchen Zeitraum, in welchem die Drehzahl des Schwungrades 16 über derjenigen Drehzahl bleibt, welche einen Betrag gespeicherter kinetischer Energie repräsentiert, welche erforderlich ist, um den Motor durch Wiedereinrücken der Kupplung 14 und Umkeh-

ren des Zustandes des Zündungsschalters 42 und des Brennstoffzufuhrventils 40 wieder zu starten.

Die im Schwungrad gespeicherte Energie kann die vom Motor entwickelte Energie erhöhen in Abhängigkeit von der auf die Last aufzubringenden Beschleunigungsenergie wie angewiesen durch Einstellung des Gaspedals SO und des Prozentsatzes dieser Beschleunigungsenergie, die als kinetische Eneigie im Schwungrad 16 verfügbar ist. Wenn das Schwungrad z. B. mit Drehzahlen oberhalb der Motordrehzahl rotiert und ι ο Lastbeschleunigungsenergie angefordert wird, wird die Beschleunigungsenergie vom Schwungrad 16 durch die stufenlos einstellbare Getriebeeinheit 20 zugeführt, bis das Schwungrad sich auf eine Drehzahl ungefähr gleich der Motordrehzahl verlangsamt, bei welcher der Motor 10 Energie erzeugt, angefordert durch die besondere Einstellung des Gaspedals 50. Wenn die im Schwungrad verfügbare Energie einen großen Prozentsatz der angeforderten Beschleunigungsenergie darstellt, kann die für die Erzeugung der Beschleunigungsenergie geforderte Motordrehzahl der Leerlaufdrehzahl entsprechen oder nur geringfügig über dieser Leerlaufdrehzahl liegen. In diesem Falle würde der Motorbetrieb mit Brennstoffzufuhr nur dann wieder eingeleitet werden, wenn die Drehzahl des Schwungrades auf die Leerlaufdrehzahl des Motors abfällt. Wenn andererseits eine maximale Beschleunigungsenergie angefordert wird in- einem Zeitpunkt,--In welchem sich das Schwungrad mit seiner maximal zulässigen Drehzahl dreht und außerdem der Motor abgeschaltet ist, bewirkt die Systemoperation ein öffnen des Brennstoffzufuhrventils 40 zur Wiederaufnahme des mit Brennstoff bewirkten Betriebs des Motors 10. In diesem Zustand wird die zur Last übertragene Energie sowohl vom Schwungrad 16 wie auch vom Motor 10 geliefert. Insbesondere wird die Kupplung 14 während dieser Periode maximaler Beschleunigung in einen Zustand vollen Eingriffs eingestellt. Zur gleichen Zeit wird das stufenlos regelbare Getriebe 20 zu einem höheren AusgangS'/Eingangsdrehzahl-Verhältnis eingestellt. Die im Schwungrad gespeicherte kinetische Energie kann entweder auf die Last durch das stufenlos regelbare Getriebe 20 oder auf den Motor 10 durch die Kupplung 14, wodurch die Zeit verringert wird, welche erforderlich ist, um den Motor auf Volleistung erzeugende Drehzahlen zu bringen, verteilt werden oder die Schwungradenergie kann sowohl auf die Last wie auch auf den Motor übertragen werden. Die genaue Verteilung der Schwungradenergie zu irgendeinem Augenblick maximaler Beschleunigung kann durch gesteuerte Einstellung der Kupplung 14 und des stufenlos regelbaren Getriebes 20 optimiert werden. In jedem Falle verringert sich die Schwungraddrehzahl, wohingegen die Motordrehzahl bis zu einem Punkt ansteigt, an welchem Motor- und Schwungraddrehzahlen gleich sind. Hiernach wird eine fortgesetzte Beaufschlagung mit maximaler Beschleunigungsenergie ausschließlich vom Motor 10 entwickelt Es wird angemerkt, daß die Energie zur Beschleunigung eines Fahrzeugs oder einer Trägheitslast im allgemeinen eine Kombination von im Schwungrad 16 gespeicherter Energie und vom Motor 10 entwickelter Energie sein kann.

Wenn gewünscht wird, daß der Motor 10 zur Verzögerung der Trägheitslast, dargestellt durch ein Fahrzeug, verwendet wird, kann das Brennstoffzufuhrventil 40 erneut abgeschaltet und die Kupplung 14 vollständig eingerückt werden, um den Motor und die Räder 28 zu verbinden. Außerdem kann die Motordrossel 38 geschlossen werden, um das Pumpmoment des Motors zu maximieren. Das stufenlos regelbare Getriebe kann runtergeschaltet oder anderweitig geregelt werden, um den gewünschten Motorbremsgrad zu erzielen.

Unter Betriebsbedingungen, in welchen das Fahrzeug oder die Last bei relativ konstanten Drehzahlen angetrieben wird, welche eine kontinuierliche Energieerzeugung durch den Antriebsmotor 10 erfordern, wie z. B. unter Autobahnfahrbedingungen im Falle eines Fahrzeuges, wird die Betriebsart-Steuereinheit in die Betriebsart »Direktantrieb« verschoben, wobei die Kupplung C3 eingerückt und die Kupplungen Cl und C 2 ausgerückt werden, !n diesem Betriebszustand wird die Motorantriebswelle 12 direkt mit der Lastantriebswelle 26 gekoppelt mit dem Ergebnis, daß die stufenlos regelbare Getriebeeinheit 20 lediglich leer läuft ohne Drehmomentübertragung zwischen ihren Triebbestandteilen. Während die Oberflächen der kegelförmigen Bauteile 100 und 102 in Berührung mit den Trieboberflächen auf den Ringen 106 und 108 stehen können, schließt die Abwesenheit einer Drehmomentbelastung irgendeine Normalkraftbelastung dieser Bestandteile aus. Es kommt außerdem in Betracht, daß diese Oberflächen außer Eingriff in einen Nichtlast-Zustand gebracht werden.

In der Betriebsart »Direktantrieb« arbeitet das System daher als konventionelle Fahrzeugantriebskette, wobei das Schwungrad und die mit ihm drehbaren Bestandteile allein in der Art und Weise eines konventionellen Kurbelwellenschwungrades funktionieren. Die Möglichkeit zum Schalten in einen Direktantrieb wird durch die Betriebsart-Steuereinrichtung 24 geschaffen und schafft die Möglichkeit für Gesamtsystemwirkungsgrade, welche höher sind als bei eineme System, das allein ein geeignet ausgelegtes, stufenlos regelbares Getriebe verwendet. Es ist z. B. bekannt, daß der Brennstoffverbrauchswirkungsgrad einer herkömmlichen Fahrzeugantriebskette in der Betriebsart »Direktanlrieb« bei kontinuierlichen mittleren bis hohen Drehzahlen recht gut ist. In der Betriebsart »Direktantrieb« des vorliegenden Systems werden solche bestehenden Bedingungen aufrechterhalten ohne einen Wirkungsgradverlust im System aufgrund von Wirkungsgradverlusten in der Getriebeeinheit 20. Es wird darüber hinaus angemerkt, daß, wenn die Einheit 20 für einen Übersetzungsverhältnisbereich bis zu 1 : 1 ausgelegt wird, abwechselnde Kopplung der lastantreibenden Welle 26 mit der Ausgangswelle 22 regelbarer Drehzahl und der Direktantriebswelle 30 synchron sein können ohne Energieverlust bei Einrükken der Kupplung C3. Die Eigenschaften der stufenlos regelbaren Getriebeeinheit 20 sind jedoch derart, daß sein Betriebswirkungsgrad am hohen Ende des AusgangsVEingangsdrehzahlverhältnisbereiches auf sein Maximum ansteigt Die Betriebsart-Steuereinheit und insbesondere die Kupplung C3 ermöglicht eine Auslegung der stufenlos einstellbaren Getriebeeinheit mit einem Ausgangs-ZEingangsdrehzahlverhältnisbereich, der sich von Null bis weniger 1 :1 erstreckt, wodurch erhöhte Wirkungsgrade der stufenlos regelbaren Einheit geschaffen werden, wenn die Einheit 20 für intermittierende oder Stadtfahrbedingungen benötigt wird, unter welchen die energiespeichernde Kapazität des Schwungrades wesentlich für einen verringerten Brennstoffverbrauch ist Es wird daher in Betracht gezogen, daß das Verstellen der KuDDluns der

lastantriebenden Welle 26 zwischen der Ausgangswelle 22 einstellbarer Drehzahl und der Direktantriebswelle 30 synchron sein kann, d. h. mit Rutschen der Kupplung C3 und einem entsprechenden Energieverlust kieiner als derjenigen, welche durch den erhöhten Wirkungsgrad im Betrieb der stufenlos regelbaren Einheit 20 gewonnen wird Es wird daher angemerkt, daß die Betriebsart-Steuereinheit 24 wesentlich zur Auslegungsflexibilitäl des Gesamtsystems beiträgt

Um ein noch vollständigeres Verständnis des Hybrid-Systems, gezeigt in den Fig. 1—3, unter intermittierenden oder Stadtfahrbedingungen zu schaffen, wird Bezug auf Fig.4 genommen, in welcher Kurven gezeichnet sind, wobei berechnete quantitative Werte von acht Parametern gegen die Zeit in Sekunden dargestellt sind. Die in F i g. 4 gezeigten Kurven wurden berechnet unter Verwendung eines computersimulierten Peisonenfahrzeugs, das mit dem Hybrid-Energiesystem, gezeigt in den Fig. 1—3, ausgerüstet ist und die nachfolgenden Spezifikationen aufweist:

Fahrzeuggewicht Motor

■1311 kg(curb)

■ 1447 kg (geladen)

■ 2,1 1 mit Brennstoffeinspritzung

■ 4 Zylinder in Reihe

■ 74,6 kW (100 HP) bei 5250 upm

— Kompressionsverhältnis 8,5:1 - 3,73:1

- 91%

Achsverhältnis maximaler Wirkungsgrad der stufenlcs regelbaren Einheit kombiniertes Trägheitsmoment des Schwungrades und der verbundenen

Drehteile - 0,704 kg m² Abgassystem — geschlossener Lambda-

Sond-Wandler mit Drei-Weg-Beschleuniger

Die Kurve A der Fig.4 ist eine graphische Darstellung eines Teils eines normalen Stadtfahrzyklus. Die Kurve B ist das Ergebnis der Auftragung der Energie in Joules als Ordinatenwerte, welche an den Antriebsrädern erforderlich ist, um die Fahrzeugmasse gegen ihren aerodynamischen und Rollwiderstand auf die Geschwindigkeit der Kurve A entsprechend dem gleichen Zeitpunkt zu beschleunigen. Negative Werte auf der Kurve B stellen eine Energie dar, webhe während der Verzögerung wiedergewinnbar ist.

Die Kurve C ist der Teil der Radleistung in Pferdestärken, der vom Motor zuzuführen ist. Die Kurve D ist die Energie in Joule, welche vom Schwungrad und von Teilen, welche mit diesem direkt drehbar sind, verfügbar ist. Wie oben erwähnt worden ist, wird bei Wiederbeschleunigung des Fahrzeugs aus dem Stand zunächst Energie aus dieser Quelle gezogen, wobei die Differenz, welche erforderlich ist, um die erforderliche Radenergie zu liefern, vom Motor zuzuführen ist.

Die Kurven fund Fillustrieren jeweils, ob der Motor aus- oder eingeschaltet ist und im eingeschalteten Zustand die Drehzahl des Motors. Die Schwungraddrehzahl wird in der Kurve G dargestellt, und das stufenlos regelbare Übersetzungsverhältnis, ausgedrückt als Ausgang/Eingang, wird in Kurve H dargestellt.

Die in F i g. 4 dargestellten Kurven wurden durch eine Computersimulation des oben erwähnten Fahrzeug! entwickelt Obwohl in Fig.4 nicht gezeigt, ergibt die gleiche Computersimulation einen Brennstoffeinspa rungsgewinn von 8,1 bis 13,6 km/1 und geringe Emissionsniveaus insbesondere NO_x — 0,06. CO — 033 und HC — 0,09. Obwohl anerkannt wird, daß die Ergebnisse in der Praxis etwas geringer als diese

ίο theoretischen Ergebnisse sein werden aufgrund vor vorübergehenden Erscheinungen und anderen Fakto ren, die bei einer Computersimulation nicht in Rechnung gestellt werden können, sind die möglichen theoretischen Gewinne so erheblich, daß tatsächliche Ergebnis- se, welche erheblich schlechter ausfallen als die theoretischen Werte, eine erhebliche Verbesserung ir der Brennstoffeinsparung darstellen wurden.

Die Bedeutung der Kupplung 14 aufgrund ihrer räumlichen Anordnung und Funktion im vorliegenden System wird nunmehr ausgeführt Es wird zunächst angemerkt, daß immer, wenn der Motor 10 für seinen primären Zweck der Erzeugung von Lastantriebsenergie verwendet wird (oder unter bestimmten Umständen, wie beschrieben, zur Absorbierung von Lastimpulsen) die Kupplung vollständig eingerückt ist um eine Direktverbindung der Motorkurbelwelle 34 mit dem Schwungrad 16 und der Eingangswelle 18 der stufenlos regelbaren Getriebeeinheit 20 zu schaffen. Wenn eine solche Kupplung existiert, dreht sich das Schwungrad 16

jo mit der gleichen Drehzahl wie die Motorkurbelwelle 34 und wirkt in jeder Beziehung wie ein herkömmliches Kurbelwellenschwungrad.

Eine Einstellung der Kupplung 14 auf einen Zustand teilweisen Eingriffs, in welchem die Kupplung nur einen

J5 begrenzten Drehmomentbetrag überträgt, ermöglicht ein Durchdrehen des Antriebsmotors 10 mit abgeschalteter oder reduzierter Brennstoffversorgung 36 und mit Drehzahlen, welche wesentlich unterhalb der Schwungraddrehzahlen liegen, aber ausreichen, um die Kontinui- tat der Schmierung, der Zusatzantriebe und dergleichen aufrechtzuerhalten. Wie dem Durchschnittsfachmann bekannt ist, kann die Leerlaufdrehzahl für einen Antriebsmotor in großem Umfang variieren. Der Begriff »Leerlaufdrehzahl« hat jedoch eine Bedeutung

<5 in der Technik und soll in der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen die minmale Drehzahl bedeuten, bei welcher der Antriebsmotor 10 bei nicht vorhandener Last den Betrieb allein mit Brennstoff aufrechterhält. »Durchdreh-Drehzahl« soll in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen die Drehzahl bedeuten, bei welcher Motorpumpen und Reibungsverluste minimal sind und bei welcher motorgetriebene Zusatzeinrichtungen wie z. B. Kühlmittel- und Schmiermittelpumpen, elektrische Ladesysteme für Speicherbatterien sowie servoangetriebene Zusatzeinrichtungen wie Servolenkung, Servobremsen und Klimaanlage aufrechterhalten werden. Drehmomentverluste beim Durchdrehen des Motors 10, nämlich Pumpverluste und Reibungsverluste, nähern sich einem Minimum nahe der Leerlaufdrehzahl, nehmen aber weiter ab bei einer geringeren Durchdreh-Drehzahl. Da die Durchdreh-Drehzahl eine Funktion des durch die Kupplung 14 übertragenen Drehmoments ist, kann die genaue Drehzahl, mit welcher der Motor durchgedreht wird, durch Einstellung des Druckes reguliert werden, unter welchem die Reibungskissen 68 gegen die Scheibe 64 gezwungen werden. Die Verluste eines solchen Durchdrehens des Motors 10 können weiter reduziert

werden durch öffnen der Drossel 38 während der Periode, in welcher die Kupplung eingestellt ist, um einen herkömmlichen Fahrzeugverbrennungsmotor durchzudrehen, und noch weiter durch Schließen der Ventile (nicht gezeigt) des Motors.

Wenn der Motor durchgedreht wird unter Verwendung der kinetischen Energie, welche im Schwungrad gespeichert ist, wie oben beschrieben, kann das Brennstoffzufuhrventil 40 vollständig geschlossen oder auf einen teilweise geschlossenen Zustand eingestellt werden, in welchem die Brennstoffzufuhr zum Motor auf ein Niveau reduziert wird, das geringer als das Niveau ist, das zur Aufrechterhaltung des Motorbetriebs durch Brennstoffzufuhr allein erforderlich ist Während eine maximale Einsparung potentioneller Energie oder von Brennstoff sich oft bei vollständig geschlossenem Ventil 40 oder dessen Äquivalent ergibt, kann der Betrieb des Gesamtsystems bei minimalem Brennstoffverbrauch verbessert werden durch Brennstoffzufuhr auf reduzierten Niveaus unterhalb des zur Aufrechterhaltung von Motorleerlaufdrehzahlen erforderlichen Niveaus, aber ausreichend zur Aufrechterhaltung der Motortemperatur.

Schließlich kann die Kupplung 14 in einen vollständig ausgerückten Zustand eingestellt und der Motor vollständig abgeschaltet werden, solange eine angemessene kinetische Energie im Schwungrad zum Zwecke des Wiederstartens des Motors gespeichert ist. Wenn diese Betriebsart in Betracht gezogen wird, kann das System mit einem gesonderten Zusatzantrieb (nicht gezeigt) versehen werden, der sich vom Schwungrad 16 zu den verschiedenen durch das Schwungrad während der Zeitabschnitte, in welchen der Motor 10 nicht in Betrieb ist, anzutreibenden Zusatzeinrichtungen erstreckt.

In Fig.5 ist eine abgeänderte Ausführungsform schematisch illustriert. Diese Ausführungsform weist die gleichen Kraftübertragungs- bzw. Antriebskettenbestandteile auf, wie in F i g. 1 gezeigt, ausgenommen, daß das Schwungrad 16' für eine Drehung mit der Welle 18' in einem festen Übersetzungsverhältnis durch ein Kegelzahnradgetriebe 132 gekoppelt oder antriebsmäßig verbunden ist und so ausgelegt ist, daß es größere Beträge kinetischer Energie speichern kann als das Schwungrad 16 gemäß Fig. 1. Das Übersetzungsverhältnis des Getriebes 132 wird so ausgewählt, daß das Schwungrad mit einer größeren Drehzahl als die Welle 18' rotiert. Um die relative Art des Schwungrades 16' darzustellen, ist ein evakuiertes Gehäuse 134 schematisch in F i g. 5 als Beispiel einer Einrichtung illustriert, um Luftreibungsverluste bei einem Schwungrad dieser Art auszuschließen. Obwohl der Antriebsmotor 10' des in F i g. 5 illustrierten Systems in jeder Beziehung dem Motor 10 in F i g. 1 ähnlich ist, soll dieser Motor im vorliegenden Fall ein Antriebsmotor sein, der bei geregelter oder konstanter Betriebsdrehzahl arbeitet, wobei eine Veränderung der Leistung und des Drehmomentes das Ergebnis der Veränderung der Brennstoffmenge ist, welche in den Motor 10' eingespritzt wird. Die Betriebsart-Steuereinheit 24' kann gegenüber der Einheit 24 der F i g. 1 in bezug auf das Untersetzungsverhältnis abgeändert sein. Das System der Fig. 5 ist daher repräsentativ für ein Energiesystem zur Verwendung in großen Fahrzeugen wie Bussen oder Lastwagen, in welchen das Verhältnis Leistung zu Gewicht klein ist relativ zu Personenfahrzeugen zum Beispiel, bei welchen hohe Lastbeschleuni-Kungsraten gefordert werden.

Der prinzipielle Unterschied im Betrieb des in Fi g. 5 offenbarten System zur Praktizierung einer Variation in der vorliegenden Methode besteht im Betrieb, so daß die Drehzahl des Schwungrades zu allen Zehen über der geregelten Betriebsdrehzahl des Motors 10' gehalten wird. Die Kupplung 14' ist im System der Fig.5 beibehalten und wird, wie vorher beschrieben, beschrieben, um Motorvolleistung in Richtung der Last zu übertragen. Nach Inbetriebnahme liefert der Motor 10'

ίο daher so lange kinetische Energie an das Schwungrad, bis die Drehzahl des Schwungrades 16' die gleiche wie die geregelte Betriebsdrehzahl der Motorantriebswelle 12 ist. Lastbeschleunigung wird initiiert nach Einstellung der Einheit 24' und durch Einstellung des stufenlos regelbaren Getriebes 20'.

Bei Lastverzögerung wird die kinetische Energie des Lastimpulses zurückgefördert, wie zuvor, zum Schwungrad 16', aber um das Schwungrad mit Drehzahlen anzutreiben, die wesentlich über den Motorbetriebsdrehzahlen liegen. Dies wird durch ein Herunterschalten des stufenlos regelbaren Getriebes 20' erreicht. Während einer nachfolgenden Beschleunigung der Last, vorausgesetzt, daß das Schwungrad 16' in der Nähe maximaler Drehzahlen von z. B. dem zwei- bis dreifachen der Betriebsdrehzahl der Motorantriebswelle 12' rotiert, kann die im Schwungrad gespeicherte kinetische Energie zur Last, zum Motor oder zu beiden in einer Weise dirigiert werden, die vergleichbar ist mit der in F i g. 1 beschriebenen Art und Weise. Aufgrund der relativen Motor- und Schwungraddrehzahlen wird jedoch vom Antriebsmotor entwickelte Energie niemals zum Schwungrad 16' gerichtet oder durch dieses absorbiert werden. Vom Antriebsmotor entwickelte Energie wird natürlich minimale Schwungraddrehzahlen aufrechterhalten durch Zufuhr einer ausreichenden Energiemenge zur Überwindung von Reibungsverlusten und anderen Verlusten, welche die Drehzahl der Schwungraddrehung verringern. In jeder anderen Beziehung ist der Betrieb der Ausführungsform der Fig.5 der gleiche wie der in bezug auf Fig. 1 beschriebene Betrieb.

In F i g. 6 ist das vorliegende Hybrid-System in einer Antriebskette der Bauweise eingebaut, bei welcher die Antriebsmotorachse im wesentlichen parallel zu der lastantreibenden Welle oder den Wellen ist. Solche Antriebsketten sind besonders z. B. für Frontradantrieb von Fahrzeugen geeignet. Der in F i g. 6 gezeigte Motor 210 weist eine Antriebswelle 212 auf, welche wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen, eine direkte

so Verlängerung der Motorkurbelwelle ohne konventionelles Kurbelwellenschwungrad ist. Wie in den F i g. 1 und 2 trägt die Antriebswelle 212 eine leichtgewichtige Kupplungsscheibe 264 zum lösbaren Kupplungseingriff mit Kupplungsbestandteilen, welche direkt von einem Schwungrad 216 getragen werden. Bei dieser Ausführungsform ist das Schwungrad 216 durch Lager 217 und 219 in einem Gehäusebestandteil 221 und auf einer Verlängerung 223 der Antriebswelle 212 gelagert. Das Schwungrad 216 ist zu allen Zeiten mit der Eingangswelle 218 der stufenlos regelbaren Getriebeeinheit 220 drehverbunden. Bei dieser Ausführungsform ist das Schwungrad 216 durch Lager 217 und 219 in einem Gehäusebestandteil 221 und auf einer Verlängerung 223 der Antriebswelle 212 gelagert. Das Schwungiad 216 ist zu allen Zeiten mit der Eingangswelle 218 der stufenlos regelbaren Getriebeeinheit 220 drehverbunden. Bei dieser Ausführubgsform erfolgt die Verbindung jedoch durch ein Zahnradvorgelege mit einem Antriebszahn-

rad 225, das vom Schwungrad getragen wird, einem Zwischenzahnrad 227 und einem angetriebenen Zahnrad 229, das auf der stufenlos regelbaren Eingangswelle 218 festgekeilt ist Die Ausgangswelle 222 mit regelbarer Drehzahl der Einheit 220 ist durch ein Zahnrad 231 direkt mit einer Differentialeinheit 233 verbunden, von welcher sich ein Paar von Antriebswellen 226 zu den '.ntriebsrädern 228 erstrecken.

Das Zwischenzahnrad 227 ist über eine Welle 235 direkt mit Zusatzeinrichtungen wie dem Generator, der Benzinpumpe, ölpumpe, Klimaanlage, Servolenkungseinheit und Servobremseinheit verbunden, wobei alle diese Einrichtungen normalerweise vom Motor 210 angetrieben werden. Obwohl in Fig.6 nicht im einzelnen gezeigt, werden diese Zusatzeinrichtungen durch den Block 237 repräsentiert und »Zusatzeinrichtungen« genannt. Ein wesentliches Merkmal der in Fig.6 gezeigten Antriebsketie besteht darin, daß das Einordnen des Zusatzantriebs in dem Zahnradvorgelege zwischen dem Schwungrad 216 und der stufenlos regelbaren Eingangswelle 218 eine Versorgung der Zusatzeinrichtungen durch das Schwungrad 216 ermöglicht, wobei das Schwungrad vollständig außer Eingriff mit der Kupplungsscheibe 264 ist und der Motor 210 vollständig abgeschaltet ist. Die Betriebseigenschaften des in Fig.6 gezeigten Ausführungsbeispiels sind im übrigen die gleichen wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hybrid-Energiesystem mit einem Antriebsmotor und einer energiespeichernden Schwungmasse zum Antrieb einer Trägheitslast, insbesondere eines Fahrzeuges, und mit einer Einrichtung zum Steuern von Antriebsmotor und Schwungmasse, dadurch gekennzeichnet, daß die energiespeichernde Schwungmasse (16, 16', 216) gleichzeitig die Kurbelwellen-Schwungmasse ist

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungmasse (16) mit der Eingangswelle (18) eines Getriebes (20) verbunden ist.

3. System nach Anspruch 2 mit einer zusätzlichen Antriebskette, dadurch gekennzeichnet, daß diese zusätzliche Antriebskette (235), die zwischen der Schwungmasse (216) und der Eingangswelle (218) angeordnet ist, zum Betrieb von Zusatzeinrichtungen vorgesehen ist.

4. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungmasse (16) mit einem Anlaßkörper (82) des Getriebes (20) drehfest verbunden ist, der im Eingangs- und Ausgangsbereich des Getriebes gelagert ist und die Schwungmasse und die Eingangswelle (18) trägt.