DE3920030A1

DE3920030A1 - Hydraulische energiespeicheranlage

Info

Publication number: DE3920030A1
Application number: DE3920030A
Authority: DE
Inventors: Harald Breisch
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1988-06-25
Filing date: 1989-06-20
Publication date: 1989-12-28

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Energiespeicheranlage nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Aus Ölhydraulik und Pneumatik 23 (1979) Nr. 10, Seite 729, Aufsatz "Simulation hydraulischer Energiespeicher" von R. Schulz, ist aus Spalte 2 der Berechnung des Gasdruckspeichers bekannt, daß für die Speicherung einer größeren Energie sich vor allem Kolbenspeicher eignen, wobei diesen eine oder mehrere Gasflaschen (Gasbehälter) nachgeschaltet sind, um die Druckdifferenz zwischen einem gefüllten und nahezu entleerten Kolbenspeicher relativ gering zu halten. Solche Speicher haben sich insbesondere als Hochdruckspeicher bewährt, weil damit über zumindest einen Hydrowandler die an eine Energie abgebende - z. B. Bremsenergie - und Energie aufnehmende Einrichtung angeschlossen ist und bei Ladung des Hochdruck-Hydrospeichers vom Niederdruck-Hydrospeicher als Pumpe und beim Entladen des Hochdruck-Hydrospeichers in den Niederdruck-Hydrospeicher zurück als Motor arbeitet und so Bremsenergie kurzzeitig gespeichert und wieder genutzt wird. Die bauliche Anordnung ist jedoch für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug nicht geeignet, weil durch die getrennte Anordnung von Kolbenspeicher und Gasbehälter infolge der Drosselung in den Verbindungsleitungen, insbesondere bei schneller Auf- und Entladung, Verluste auftreten. Darüber hinaus ist diese Unterteilung störanfällig und in dieser Ausführung für einen Speicher zum Einbau in ein Kraftfahrzeug ungeeignet.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine hydraulische Energiespeicheranlage nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 so weiterzuentwickeln, daß sie kompakter und möglichst auch leichter ausgeführt ist und sich deshalb für den Einbau in ein Kraftfahrzeug besser eignet.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen vom Anspruch 1 erfüllt.

Infolge der Anordnung des eigentlichen Kolbenspeichers im Gasbehälter ist es möglich, den Zylinder, in dem der Kolben vom Druckmittel bei der Befüllung und vom Druckgas bei der Entleerung verschoben wird, völlig druckunabhängig zu bemessen, weil der im Prinzip gleiche Druck von außen auf den Zylinder wirkt. Damit ist eine kompaktere und vor allem leichtere Bauweise einer Energiespeicheranlage möglich, weil nur noch die Wandung des den Kolbenspeicher umschließenden Gasbehälters unter Berücksichtigung des jeweils vorgesehenen Höchstdruckes gestaltet werden muß. Diese Anordnung läßt auch zu, die Verbindung des Speichers mit dem Gasbehälter mit einem großen Querschnitt vorzusehen, damit Strömungsverluste bei einer schnellen Befüllung/Entleerung vermieden werden, weil am Zylinder ja nur ein Anschlag für die Begrenzung der Kolbenbewegung nötig ist und der Gasraum des Kolbenspeichers über eine sehr große Öffnung mit dem Raum des Gasbehälters verbunden werden kann. Wird der Zylinder des Kolbenspeichers über einen an diesen einseitig angeordneten nach außen stehenden Bund im Gasbehälter zentriert und werden Kolbenspeicher und Gasbehälter über eine Abschlußplatte, in der auch die Anschlüsse und Ventile angeordnet sind, angeordnet, ergibt sich eine besonders kompakte und einfache Bauweise, weil auch die Abdichtungen der Flüssigkeitskammer und des Gasbehälters einfach gestaltet werden können. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung bei einem Hochdruckspeicher, weil sich zwischen der Dimensionierung des Zylinders und der sonst notwendigen Wandung des Kolbenspeichers ein sehr großer Unterschied ergibt, der eine wesentlich leichtere Bauweise ermöglicht.

Aus der DE 37 05 642 A1 ist eine Energiespeicher- und -abgabeeinrichtung bekannt, in der der Niederdruckspeicher als Kolbenspeicher ausgebildet ist. Zur Verringerung der Druckdifferenz zwischen befülltem und entleertem Speicher ist weder beim Niederdruck- noch beim Hochdruckspeicher ein das Volumen wesentlich erhöhender zusätzlicher Druckbehälter vorgesehen.

Aus DE 25 51 580 A1 ist bekannt, einen Hochdruckspeicher innerhalb eines Niederdruckspeichers anzuordnen, aber weder für den Hochdruck- noch den Niederdruckspeicher sind das Gasvolumen erhöhende Gasbehälter vorgesehen, wobei der Niederdruckspeicher lediglich mit einem Gasvorratsbehälter zur gelegentlichen Aufladung des Gasdruckes ausgestattet ist.

Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und einzelnen Anspruchsmerkmalen aus der Aufgabenstellung.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von Zeichnungen und von einem Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine hydraulische Energiespeicheranlage in Verbindung mit einem Kraftfahrzeug-Antriebsstrang;

Fig. 2 einen Gasdruckspeicher in der Ausführung als Kolbenspeicher und

Fig. 3 einen Gasdruckspeicher nach Fig. 2 mit einer möglichen Anordnung der Ventile und Anschlüsse in der Ventilplatte.

In Fig. 1 ist in einem Antriebsstrang mit Antriebsmotor 1, Getriebe 2 und zumindest einer Antriebsachse 3 eines Fahrzeuges über einen Sekundärnebenabtrieb 4 mit einer Kupplung 41 ein Hydrowandler 5 trieblich verbunden angeordnet. Der Hydrowandler 5, der sowohl als Pumpe wie auch als Motor arbeitet, ist über Leitungen 51, 52 mit einem Ventilblock 6 verbunden. Dieser hat noch Anschlüsse für Leitungen 61, 64 über die Druckmittel, z. B. Drucköl, von einem Behälter 63 über eine Speisepumpe 62, dem Ventilblock zu- und über eine Leitung 64 in den Behälter 63 zurückgeführt werden kann. Weiter hat der Ventilblock 6 noch Anschlüsse für Leitungen 65, 66 zu einem Niederdruckspeicher 7 und einem Hochdruckspeicher 8 sowie Ventile, über die in bekannter Weise die Druckspeicher 7, 8 mit dem Hydrowandler 5 oder auch mit der Speisepumpe 62 verbunden werden können.

Die Fig. 2 zeigt die Ausgestaltung eines Gasdruckspeichers 9, der sowohl als Niederdruckspeicher 7 mit z. B. bis zu 35 bar, wie auch als Hochdruckspeicher 8 mit z. B. bis zu 400 bar, ausgeführt sein kann. In der Dimensionierung ergibt sich dabei nur druckabhängig eine Veränderung beim Druckgefäß 11 des Gasbehälters 10, während der Zylinder 91 des Kolbenspeichers 9 sowie die Ventilplatte 100 im Prinzip druckunabhängig gestaltet sein können.

In einem Gasbehälter 10, dessen Behälterwandung 11 in bekannter Weise als Druckgefäß ausgebildet ist, ist ein Druckspeicher 9 als Kolbenspeicher mit einem Zylinder 91 und einem Kolben 92 zentrisch angeordnet. Damit ergibt sich ein Behälterraum 12, der sich aus dem Mantel zwischen Zylinder- und Behälterwand sowie aus einem stirnseitigen Zwischenraum zwischen Behälterwand 11 und Zylinder 91 zusammensetzt. An der zweiten Stirnseite 13 des Gasbehälters 10 - Druckgefäß 11 - und des Zylinders 91 ist eine Ventilplatte 100 als Abschlußplatte angeordnet, wobei zwischen dem Druckgefäß 11 und dem Zylinder 91 auf der einen Seite und der Ventilplatte 100 auf der anderen Seite Dichtungen 14 angeordnet sind. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung nur einer Dichtung für beide Bauteile - Druckgefäß 11, Zylinder 91 -. Die Behälterwandung 11 ist im Bereich für die Befestigung an der Ventilplatte radial nach innen ragend verstärkt, so daß sich eine kleinere Öffnung 16 ergibt, in der der Außendurchmesser 97 des Zylinders zentriert ist. Der Zylinder 91 des Kolbenspeichers 9 hat im Bereich dieser Verstärkung noch einen Bund 98, der mit einer entsprechenden Ausnehmung in der Verstärkung der Behälterwandung zusammenwirkt. Im Zylinder 91 des Gasdruckspeichers 9 ist ein Kolben 92 dichtend angeordnet, der zwischen dem radial nach innen sich erstreckenden Anschlag 99 auf der einen Seite des Zylinders und der Ventilplatte 100, die gleichfalls als Anschlag wirkt, frei beweglich ist. Der innere Zylinderraum wird vom Kolben 92 in eine erste Kammer 93, die der Ventilplatte benachbart ist, und eine zweite Kammer 94, die über eine Öffnung 95 mit dem Behälterraum 12 des Gasbehälters 10 verbunden ist, aufgeteilt. Die Öffnung 95 ist dabei im Durchmesser so groß gehalten, daß lediglich ein ausreichender Anschlag 99 für den Kolben 92 von dem Boden des Zylinders 91 bestehenbleibt. In der Ventilplatte ist noch vereinfacht der Gasfüllanschluß 106 und der Druckölanschluß 104 dargestellt, wobei die Gasfülleitung 107 vorrangig über eine Dichtung 108 mit einer Leitung 17, die in den Behälterraum 12 führt, verbunden ist. Der Druckölanschluß 104 ist im Falle eines Niederdruckspeichers 7 über die Leitung 65 und bei einem Hochdruckspeicher 8 über die Leitung 66 mit dem Ventilblock 6 und von dort aus mit dem Hydrowandler 5 verbunden. Der Gasdruckspeicher 9 mit dem Gasbehälter 10 ist vereinfacht auch in Fig. 3 übernommen, wobei die gleichen Bauteile auch die gleiche Nummer tragen, während die Ventilplatte 100 eine mögliche Anordnung von Ventilen und Anschlüssen zeigt.

Mit 102 ist ein Speicherventil - Sitzventil - angeordnet, mit dem der Druckölanschluß 104 von der Kammer 93 abgetrennt oder mit dieser verbunden wird. Dieses Speicherventil wird über ein elektrisch betätigtes Schaltventil 103 in bekannter Weise angesteuert und über Druckmittel geschlossen oder über eine Entlüftungsleitung mit dem Anschluß 105 entlüftet und damit geöffnet, wobei vom Anschluß 105 eine Leitung zum Behälter 63 führt, die in der Fig. 1 nicht gesondert dargestellt ist. Zwischen der Druckleitung 110 und der Entlüftungsleitung zum Anschluß 105 ist noch ein Handablaßventil 109 vorgesehen, so daß bei der Demontage des kombinierten Gasdruckspeichers 9, 10 eine Entleerung dieses Speichers möglich ist. Zwischen der Leitung 110, die zur ersten Kammer 93, der Ölkammer, führt, ist noch ein Sicherheitsventil 101 angeordnet, wobei dieses auch vom Gasdruck über die Leitung 111 beeinflußt wird. Damit wird erreicht, daß der Öldruck nie höher als der Gasdruck zuzüglich einem konstanten Druckanteil von 10 bis 20% des maximalen Druckes sein kann, wobei sich dieser ausschließlich nach der Verwendung als Hoch- oder Niederdruckspeicher richtet. Die Wirkungsweise ist wie folgt: Im Bremsbetrieb wird über die Antriebsachse 3 des Kraftfahrzeuges und den sekundären Nebenabtrieb 4 sowie die geschlossene Kupplung 41 der Hydrowandler 5 angetrieben. Dieser wirkt als Pumpe und fördert Druckmittel über die Leitung 52 in den Ventilblock 6 und von diesem über die Leitung 66 zum Druckölanschluß 104 und das geöffnete Speicherventil 102 in die Druckölkammer 93. Dabei wird der Kolben 92 nach Fig. 2 und 3 nach rechts verstellt. Das gemeinsame Volumen der zweiten Kammer 94 des Kolbenspeichers 9 und des Behälterraumes 12 wird verringert, wodurch sich der Gasdruck erhöht. Sollte während des Bremsvorganges die Kapazität des Speichers überschritten werden - Kolben liegt rechts am Anschlag 99 an oder der Gasdruck übersteigt die definierte Sicherheitseinstellung -, wird die Befüllung des Speichers beendet und über das sich öffnende Sicherheitsventil 101 der eingestellte Höchstdruck begrenzt.

Das zur Befüllung des Hochdruckspeichers erforderliche Druckmittel wird vom Niederdruckspeicher über die Leitung 65 und den Ventilblock 6 sowie die Leitung 51 entnommen und liegt mit einem niederen Druck an der Ansaugleitung des Hydrowandlers 5 an.

Soll die gespeicherte Energie im Hochdruckspeicher genutzt werden, wird wiederum das Speicherventil geöffnet, so daß über die Leitung 66 und den Ventilblock 6 sowie die Leitung 52 Druckmittel mit einem hohen Druck dem Hydrowandler 5 zugeleitet wird, so daß dieser als Motor arbeitet. Über die wiederum geschlossene Kupplung 41 des Sekundär-Nebenabtriebes 4 vom Getriebe 2 wird dabei der Antriebsstrang und damit die Antriebsachse 3 des Kraftfahrzeuges angetrieben. Das in der Leitung 51 zurückfließende Druckmittel wird über den Ventilblock 6 und die Leitung 65 zum Niederdruckspeicher 7 geleitet, der in der wie zum Hochdruckspeicher beschriebenen Weise befüllt wird. Sowohl beim Befüllen wie beim Entleeren des als Kolbenspeicher ausgebildeten Gasdruckspeichers 9, 10 entsteht infolge der großen Öffnung 95 zwischen der zweiten Kammer 94 und dem Behälterraum 12 keinerlei Drosselung des Gasstromes, der zu zusätzlichen Verlusten führen könnte. Ein eventuell auftretender Leckölverlust wird in bekannter Weise über eine Speisepumpe 62 und eine Leitung 61 aus einem Behälter 63 ausgeglichen, während die Leckage über die Leitung 64 vom Ventilblock 6 oder auch dem Ölanschluß 105 nach Fig. 3 zum Behälter 63 zurückgeführt wird.

Bezugszeichen

  1 Antriebsmotor
  2 Getriebe
  3 Antriebsachse des Kraftfahrzeuges
  4 Sekundärnebenabtrieb
41 Kupplung
  5 Hydrowandler (Hydropumpe/Motor)
51 Leitung
52 Leitung
  6 Ventilblock
61 Leitung
62 Speisepumpe
63 Behälter
64 Leitung
65 Leitung
66 Leitung
  7 Niederdruckspeicher
  8 Hochdruckspeicher
  9 Gasdruckspeicher/ Kolbenspeicher
91 Zylinder
92 Kolben
93 erste Kammer
94 zweite Kammer
95 Öffnung
96 Öffnung
97 Außendurchmesser
98 Bund
99 Anschlag
10 Gasbehälter
11 Behälterwandung/Druckgefäß
12 Behälterraum
13 Stirnseite
14 Dichtung
15 Befestigungsmittel
16 Öffnung
17 Leitung
100 Ventilplatte
101 Öldrucksicherheits- Ventil
102 Speicherventil (Sitzventil)
103 Schaltventil
104 Druckölanschluß
105 Ölanschluß
106 Gasfüllanschluß
107 Gasfülleitung
108 Dichtung
109 Handablaßventil
110 Leitung
111 Leitung

Claims

1. Hydraulische Energiespeicheranlage für Arbeitsmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Gasdruckspeicher (7, 8, 9), der als Kolbenspeicher mit einem nachgeschalteten Gasbehälter (10) für die Speicherung einer größeren Energie und zur Erzielung von einem geringeren Druckgefälle zwischen dem befüllten und nahezu entleerten Zustand geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenspeicher (9) mit dem Druckmittel innerhalb des Gasbehälters (10) angeordnet ist.

2. Hydraulische Energiespeicheranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenspeicher (9) einen Behälter (Zylinder 91) hat, in dem auf der einen Seite eines Kolbens (92) in einer ersten Kammer (93) das Druckmittel und auf der anderen Seite in einer zweiten Kammer (94) das Druckgas sich befindet, wobei die zweite Kammer (94) über eine Öffnung (95) mit einem den Kolbenspeicher (9) umschließenden Raum des Gasbehälters (10) verbunden ist.

3. Hydraulische Energiespeicheranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (95) im Behälter (Zylinder 91) des Kolbenspeichers (9) im Durchmesser nur geringfügig kleiner als der Kolbendurchmesser ist.

4. Hydraulische Energiespeicheranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter für den Kolbenspeicher (9) relativ dünnwandig als Zylinder (91) ausgebildet ist, dessen Wandstärke ausschließlich nach den konstruktiven Bedingungen bemessen ist, während der maximale Arbeitsdruck der hydraulischen Energiespeicheranlage - Hoch- oder Niederdruck - unberücksichtigt bleibt.

5. Hydraulische Energiespeicheranlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zylinderförmige Behälter (91) des Kolbenspeichers (9) an der, der ersten Kammer (93) zugeordneten Seite eine Öffnung (96) in der Größe des Kolbendurchmessers und einen nach radial außenstehenden Bund (98) hat, daß der Außendurchmesser (97) des Zylinders (91) und der Bund (98) in einer radial nach innen gerichteten Verdickung der Behälterwandung (11), die an einer Stirnseite (13) des Gasbehälters (10) angeordnet ist und eine Öffnung bildet, zentriert ist und daß der Zylinder (91) des Kolbenspeichers (9) und der Gasbehälter (10) über Dichtungen (14) und Befestigungsmittel (15) mit einer Ventilplatte (100) lösbar verbunden sind.

6. Hydraulische Energiespeicheranlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Dichtung (14) für beide Behälter (Zylinder 91, Gasbehälter 10) angeordnet ist und Befestigungsmittel (15) nur zwischen der Ventilplatte (100) und der Verdickung der Behälterwandung (11) des Gasbehälters (10) angeordnet sind und der Zylinder (91) für den Kolbenspeicher (9) eingespannt ist.

7. Hydraulische Energiespeicheranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ventilplatte (100) ein Sicherheitsventil (101) für den Gasdruckspeicher, ein Speicherventil (102), das von einem Schaltventil (103) gesteuert wird, und Anschlüsse für das Druckmittel (104) und der Gasfüllanschluß (106) angeordnet sind.

8. Hydraulische Energiespeicheranlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherheitsventil (101) auch vom Gasdruck in dem Gasbehälter (10) beeinflußt wird, so daß der Öldruck nie höher als der Gasdruck zuzüglich eines konstanten Druckanteils von 10 bis 20% des maximalen Hochdrucks sein kann.

9. Hydraulische Energiespeicheranlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruckspeicher (9) als Hochdruckspeicher (8) ausgelegt ist.

10. Hydraulische Energiespeicheranlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruckspeicher (9) als Niederdruckspeicher (7) ausgelegt ist.