DE3814474A1

DE3814474A1 - Kombiniertes energieerzeugungs-, speicher- und antriebssystem

Info

Publication number: DE3814474A1
Application number: DE3814474A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Gehra
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-04-28
Filing date: 1988-04-28
Publication date: 1989-11-09

Description

Die Erfindung betrifft ein "Kombiniertes Energieerzeugungs-, Speicher- und Antriebssystem" (im folgenden als KESA bezeichnet) nach dem Ober begriff des Patentanspruches 1.

Mit dem KESA als Kombination erfindungsmäßig angeführter Komponenten (siehe Abb. 1) können bei mobilen Verhältnissen zwei unterschied liche Energieformen größerer Kapazität in Fahrzeugen erzeugt und für die Fortbewegung genutzt werden. Ausgehend von der durch das Regenera tive Bremssystem (RBS) (6) erzeugten kinetischen Energie für die Di rektspeicherung im Gyro (1) über die Mechanische Leistungsverzweigung (MLV), wird nach Erreichung der Gyro-Speicherkapazität, oder Annäherung an sie, die kinetische Energie des RBS elektronisch gesteuert über die MLV zur Druckerzeugung und Speicherung des Druckmediums als potenielle Energie im Hydrospeicher des Hydrauliksystems (4) genutzt. Der Fahrzeug antrieb als auch Stillstand bedingen eine andauernde Beanspruchung des Gyro (1) mit steigender Verlustleistung, wenn das RBS nicht kontinuier lich kinetische Energie durch regenerative Bremswirkung erzeugen kann. Bei Erreichung der limitierten Mindestdrehzahl des Gyro wird die im Hydrauliksystem (4) erzeugte bzw. gespeicherte potentielle Energie an gefordert. Dann wird die im Hydrospeicher konservierte Energiereserve über den Hydromotor der Transmission (5) als Drehbewegung zugeführt und über die MLV zur Wiederaufladung des Gyro weitergeleitet. Die Gyro-Auf ladung wird durch das Hydrauliksystem in kürzester Zeit durchgeführt. Sollten bei größeren Distanzen die Gyro-Drehzahlen aufgrund fehlender Bremsenergie-Rückgewinnung das Limit unterschreiten, die Gyro-Verlust leistung aber auch durch Erschöpfung der potentiellen Energie im Hydrauliksystem nicht mehr kompensiert werden können, müßte bei Fahr zeugstillstand mittels manueller Druckerzeugung im Hydrauliksystem wieder ausreichend potentielle Energie zur Gyro-Aufladung und evtl. zur Konservierung im Hydrospeicher erzeugt werden. Vorsorglich kann die Erzeugung potentieller Energie auch alternativ während der Fahrt erfolgen, wenn eine Begleitperson die Betätigung des manuellen Hydropumpenteils übernimt, bzw. wenn der Fahrer selbst per Gelegenheit dies von Zeit zu Zeit additiv besorgen kann. Es wird aber auch elektrische Sekundär- Energie rein stationär aus dem öffentlichen Netz über den Elektromotor (12) genutzt. Damit kann sowohl das Gyro über die MLV aufgeladen werden, und es wird auch, elektronisch gesteuert, die Transmission (5) mit den erforderlichen Drehzahlen zur Druckerzeugung (potentielle Energie) ver sorgt. Im KESA können also drei Energieformen zur Speicherung gelangen. Erzeugung, Speicherung und Abgabe von Energie für Antriebsaufgaben in Fahrzeugen etc. kann also weitgehend unabhängig von Fremdenergie erfol gen.

Der bisherige Stand der Technik zeigt Systeme von Hybrid-Antrieben jünger er Zeit. Diese sind trotz einer gewissen Novität und Erprobungseinsätzen anscheinend technisch nicht dominant genug, um als umweltbezogen ausge reift betrachtet zu werden. Beispiele sind: Gyro und Batterie, S. Renner- Smith, Popular Science, October 1980. Hydrobus mit Diesel, MAN-München, 10. Statusseminar "Nahverkehrsforschung '83", Förderung des BMFT: TV 7821, TV 8307-4. Gyrobus II, MAN-München, H. Faust - Nahverkehrsforschung Sta tusseminar IX, München 1982; Gyro mit Dieselmotor. Auf den umweltschä digenden Dieselmotor wurde noch nicht verzichtet. Und Gyro und Batterie konnte bisher nicht die erhofften Leistungen bringen, nachdem keine Bat terie auf den Markt kam, welche als Hybrid-Antriebskomponente dem variab len Verbund-Werkstoffgyro gegenüber ein äquivalentes oder evt. höherwer tiges Nutzungspotential an Energie bieten könnte (Speicherkapazität, Entladezyklus, Aufladezeit).

Es entstand also eine Aufgabe, die erfindungsmäßig mit KESA gelöst werden kann. Dabei ist zu berücksichtigen, daß für den Einsatz neuartiger An triebssysteme - hier das KESA - nicht nur die Kriterien Umweltfreundlich keit und Wirtschaftlichkeit entscheidend sind, ebenso wichtig ist es, daß das Antriebssystem dem Fahrzeug eine ausreichende Fahrleistung und genü gend große Reichweite verschafft. Um diese realistische Zielsetzung zu erreichen, werden die nachfolgend dem Gesamtsystem - Fahrzeug - unterge ordneten Kenngrößen zu den Patentansprüchen in bezug gebracht.

Weitere Merkmale der Erfindung sind ferner, daß das KESA mit aufgeladenem Gyro und mit konservierter potentieller Energie im Hydrospeicher voll funktionsfähig ist und das Fahrzeug mit elektronischer Steuer- und Regel technik starten kann.

Bei dynamischem Fahrverhalten, beispielsweise im Stadtzyklus, führt das RBS als Verbund von cvt - kontinuierlich variable Transmission - (3), Differential (7) und Antriebräder (8) in der Funkti onsumkehr des Fahrzeugantriebes je Bremsvorgang zu kinetischer Energieer zeugung und deren direkten Speicherung im Gyro. Bei jeweils erreichter Gyro-Kapazität wird das RBS kontinuierlich auch zur mechanischen Drucker zeugung im Hydrauliksystem führen, anstelle konventioneller Wärmeabgabe an die Umwelt. Für die Glättung der Energieerzeugungs- und Abgabevorgänge im KESA mit harmonischem Energietransfer dient die Elektronik (9). Der Elektronik-Wirkungsbereich (9′) wie in Abb. 1 dargestellt umfaßt das ganze KESA. Der Fahrzeugantrieb erfolgt entsprechend der MLV stufenlos rein mechanisch. Die Steuer- und Regeltechnik der hier vorgesehenen Elek tronik stützt sich auf aus der Praxis bekannte Elemente, die allerdings ein dem KESA entsprechendes Regelschema erfordern. Die zweigeteilte Spei cherung der drei Energieformen und Ihrer Abgabe ist günstiger mit mechani schen leistungsverzweigenden Getrieben (MLV) zu erreichen, welche die An forderungen des KESA wesentlich besser als elektrische und hydraulische Übertragungssysteme erfüllen. Die MLV besteht aus den Komponenten Getriebe (1′) - Vorschaltgetriebe zum Gyro -, Vier-Quadrantentrieb (2), kontinuier lich variable Transmission (3) und in die Hydraulik integrierte Transmis sion (5) - Übernahme einerseits der Hydromotor-Drehzahlen zum Antrieb des Gyro über die MLV, sowie andererseits Weitergabe der Gyrodrehzahlen an die MLV zum Hydropumpe-Antrieb mechanisch für die Druckerzeugung.

Es erweist sich als vorteilhaft, ein Gyro zu verwenden, das wahlweise aus hochfesten Faser-Verbundwerkstoffen (beispielsweise Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfaser/KEVLAR), oder aus anderen höchstbelastbaren Materialien wie Keramik etc., vorrangig gefertigt ist. Diese haben gegenüber Stahl schwungrädern den Vorteil, daß sie zur Speicherung der vorgenannten drei Energieformen auf höchste Drehzahlen gebracht werden können - günstigere Antriebsmomente werden auf Dauer geliefert. Voraussetzung dazu ist, daß das Gyro friktionsfrei in einer Vakuumkammer rotiert und weitgehend ver lustarm gelagert ist. Im Gyro kann ein elektronisches Kontrollsystem in stalliert werden, welches die Funktionsmerkmale, aber auch Schäden am Ro tor durch etwaige Materialermüdung, Faserrisse etc. signalisiert. Alle Gyro-Bestandteile sind standardisierbar und können problemlos ausgetauscht werden. Ein Totalversagen von Gyro's beider vorgenannter Materialgruppen wäre ungefährlich: GFK, CFK, KEVLAR lösen sich bis zu kleinsten Partikeln auf - der Rotor-Berst geht mit sofortiger Energieentleerung einher. Ein Keramik-Gyro bewegt sich innerhalb eines Sicherheitsmantels, die noch höheren Drehzahlen werden jedoch permanent unter der Belastungsgrenze gehalten. Dies ist ständig über die Getriebeauslegung (1′) gewährleistet. Die Energiezufuhr- und Abgabe er folgt bei höchstem Wirkungsgrad über den Vier-Quadrantentrieb (Abb. 2).

Ein weiterer Vorteil besteht in der für das KESA vorgesehenen Hydraulik komponente, die sich wie folgt zusammensetzt: Die Hydropumpe (Axialkolben pumpe) ist verstellbar und für veränderbaren Förderstrom ausgelegt. Außer dem mechanischen Antrieb (über die Transmission (5) der MLV), ist durch einen angeflanschten Handbetrieb ein manueller Pumpenantrieb möglich. Der geschlossene Druckmedienbehälter ist speziell für mobilen Einsatz vorge sehen. Der Hydrospeicher, in wechselseitiger Verbindung mit dem dualen mechanischen bzw. manuellen Pumpenteil ist auf die vorgegebene Größe und Druck begrenzt. Eine weitere Verbindung besteht mit dem Hydromotor, dem er je nach Bedarf das gespeicherte, hochverdichtete Drucköl zuführt. Der Hydromotor (Axialkolbeneinheit) ist als Hydropumpe und Hydromotor einsetz bar. Er wandelt die vom Hydrospeicher gelieferte hydrostatische Energie in mechanischen Antrieb um und gibt ihn als Drehbewegung über die Trans mission (5) der MLV zur Gyro-Aufladung weiter. Elektronisch gesteuerte, intermittierende Ventile dienen der Regeltechnik, welche hier für das Hydrauliksystem des KESA speziell eingesetzt sind (Abb. 3). Die autarke Energiedominanz des KESA trägt zu einer positiven Leistungs- und Ökonomie bilanz bei, was dem Gesamtsystem - Fahrzeug etc. - in jedem Falle eine realistische Alternative zu anderen Antriebsformen, rein elektrischen, oder mit fossilen Brennstoffen betriebenen Diesel- oder Ottomotoren bietet.

Bezugszeichenliste

1 Gyro
1′ Getriebe
2 Vier-Quadrantentrieb
3 cvt - kontinuierlich variable Transmission
4 Hydraulik-Ausrüstung für System und Manuellbetrieb
5 Transmission, in die Hydraulik integriert, Aus- Eingang MLV
6 RBS - Regeneratives Bremssystem, Verbund von cvt (3) mit
7 Differential mit Planetengetriebe und
8 Antriebsräder
9 Elektroniksystem-Bord
9′ Elektronik-Wirkungsbereich
10 Bordbatterie
11 Lenkräder
12 Elektromotor

Claims

1. Kombiniertes Energieerzeugungs-, Speicher- und Antriebssystem (im folgenden als KESA bezeichnet) mit Komponenten zur Erzeu gung und Speicherung alternativer Energie und deren Abgabe zum Antrieb von Fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß kinetische Energie aus mobilen Verhältnissen von Fahrzeugen mittels RBS (Regeneratives Bremssystem) (6) gewonnen wird und die Erzeugung potentieller Energie in einem Hydrauliksystem (4), das vom KESA betrieben wird, erfolgt, ferner daß elektrische Energie aus dem Stromnetz über einen im KESA integrierten Elektromotor (12) entnommen werden kann und andererseits diese drei Energieformen in einem Gyro (1) gespeichert und zum Fahr zeugantrieb über ein Differential (7) auf die Antriebsräder (8) übertragen werden können.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gyro (1) für die Speicherung kinetischer, potentieller und elektrischer Energie sowie zur Abgabe der Energie im Gesamt system (Fahrzeug) zu dessen Antrieb über einen Vier-Quadranten trieb (2), die kontinuierlich variable Transmission (3) und das Differential (7) mit Antriebsräder (8) integriert ist.

3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher für die drei Energieformen ein Gyro (1) umfaßt, das aus Faser-Verbundwerkstoff, alternativ aus anderem geeigne tem Material gefertigt ist, in einer Vakuumkammer gehalten wird und ein Getriebe (1′) aufweist.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Gyro (1) vorgeschaltetes Getriebe (1′) so ausge legt ist, daß es für Speicheraufgaben des Gyro (1) die vom Vier-Quadrantentrieb (2) erhaltenen Drehzahlen übersetzt und im gegenläufigen Programm die Gyrodrehzahlen untersetzt auf den Vier-Quadrantentrieb (2) zum Antrieb des Fahrzeuges über trägt.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vier-Quadrantentrieb (2) den Energietransfer im KESA übernimmt und die drei Energieformen, kinetische, potentielle und elektrische Energie als Eingänge vom RBS (6), Transmission (5) und Netzstrom über den Elektromotor (12) zum Gyro (1) über das Getriebe (1′) mittels elektronischer Steuer- und Regeltech nik (9) harmonisch transferiert. Ferner, daß in umgekehrter Reihenfolge die im Gyro (1) gespeicherte Energie über den Vier- Quadrantentrieb (2) zum Fahrzeugantrieb über cvt (3) und Dif ferential (7) auf die Lenkräder (8) übertragen wird.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmission (3) kontinuierlich variabel eingestellt und mit Eingang/Ausgang (7, 12) zum Speichern bzw. Abgeben von Energie mit einem Vier-Quadrantentrieb (2) verbunden ist.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydrauliksystem (4) für den Betrieb durch das KESA und für manuelle Druckerzeugung ausgerüstet ist und die erzeugte potentielle Energie über die Transmission (5) an den Vier-Qua drantentrieb (2) und das Gyro (1) über das Getriebe (1′) gelie fert wird.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydrauliksystem (4) die im KESA erzeugte und im Hydro speicher konservierte potentielle Energie während der Fahrt oder im Stillstand des Fahrzeuges an das Gyro (1) über Transmission (5), Vier-Quadrantentrieb (2) und Getriebe (1′) an das Gyro (1) abgegeben werden kann und alternativ im Fahrzeugstillstand manuell erzeugte potentielle Energie im Hydrauliksystem (4) gespeichert und ebenfalls über die Transmission (5), Vier- Quadrantentrieb (2) und Getriebe (1′) an das Gyro (1) weiter geleitet wird.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Hydrauliksystem (4) verbundene Transmission (5) sowohl die über den Vier-Quadrantentrieb (2) vom Getriebe (1′) erhaltenen Drehzahlen des Gyro (1) an das Hydrauliksystem (4) zur Druckerzeugung weiterleitet, als auch die alternative manu elle Handhabung zur Druckerzeugung transferiert. Bei Abgabe der potentiellen Energie des Hydrauliksystems (4) wird in Funktions umkehr die Transmission (5) vom Hydrauliksystem (4) in Anspruch genommen und sie leitet die erhaltenen Drehzahlen über den Vier- Quadrantentrieb (2) und Getriebe (1′) an das Gyro (1) zur Spei cherung der potentiellen Energie weiter.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein RBS - Regeneratives Bremssystem (6), bestehend aus dem cvt (kontinuierlich variable Transmission) (3), dem Differential (7) und den Antriebsrädern (8) (Verbund also von 6, 3, 7, 8), mit einander verbunden ist, daß anstelle bisher bekannter Bremswir kung (Wärmeabgabe an die Umwelt) nunmehr das RBS (6) kinetische Energie erzeugt die direkt über den Vier-Quadrantentrieb (2) und das Getriebe (1′) ins Gyro (1) übertragen und dort gespeichert wird.

11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mit den Antriebsrädern (8) auf der Hinterradachse ver bundene Differential (7) ein Planetengetriebe aufweist, das sowohl für Antriebsaufgaben des KESA ausgelegt ist, als auch im RBS (6) in der Funktionsumkehr zur kinetischen Energie erzeugung dient.

12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieerzeugungsvorgänge, Speicherung der drei beschriebenen Energieformen sowie Abgabe der Energie durch die Elektronik (9) gesteuert und geregelt wird und die dazu über eine Bordbatterie (10) mit elektrischem Strom versorgt wird.

13. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der kinetische Energiespeicher, das Gyro (1), auch zum direkten Speichern elektrischer Energie einen Netzeingang mit Elektromotor (12) aufweist.
Verwendung des KESA nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Straßenfahrzeug etc. mit der Zielsetzung weitest gehender Unabhängigkeit von Fremdenergie. Ferner Anwendung des KESA bei Staplern im vorwiegend innerbetrieblichen Be reich bei gemischt mobil/stationären Aufgaben zur Erzeugung und Speicherung kinetischer Energie im Gyro (1) mittels RBS (6) und potentieller Energie im Hydrauliksystem (4) sowie Abgabe von Energie auch an mechanische Verbraucher oder Stromerzeugung durch Antrieb eines Generator-Motors bei Installation entsprechender Ausrüstung.