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Die Erfindung betrifft eine sogenannte
Hybrid-Antriebseinheit,
welche typischerweise bei Straßenkehr-
und Bodenreinigungsmaschinen zum Beispiel in industriellen Fabriken
verwendet wird.
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Aufgrund des Erfordernisses, solche
Maschinen sowohl innerhalb als auch außerhalb zu verwenden, sind
die Straßenkehr-
und Bodenreinigungsmaschinen der neuesten Generation mit einer Antriebseinheit
versehen, welche es denselben erlaubt, auch in geschlossenen Umgebungen
verwendet zu werden, ohne Umweltverschmutzungsprobleme zu verursachen.
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Eine Maschine dieses Typs ist in
der italienischen Patentanmeldung Nr. PN97A000036 beschrieben.
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Sie weist einen Elektromotor, der
mit einer aufladbaren, elektrischen Versorgungsbatterie verbunden
und dafür
vorgesehen ist, wenigstens ein Antriebsrad der Maschine zu betreiben,
eine Brennkraftmaschine, die mit einer elektrischen Starteinrichtung versehen
ist, und eine Steuereinrichtung auf, die zwischen der Bat terie,
der Starteinrichtung und dem Betriebsmotor angeordnet ist.
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Insbesondere ist die Starteinrichtung
permanent mit der Brennkraftmaschine verbunden und wird durch eine
Permanentmagnet-Elektromaschine gebildet, welche, um die Brennkraftmaschine
zu starten, mit der Batterie verbunden werden und durch dieselbe
Brennkraftmaschine rotiert werden kann, um elektrische Energie zu
produzieren.
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Die Drehzahl, mit welcher die Brennkraftmaschine
die Permanentmagnet-Elektromaschine antreibt, ist größer als
diejenige, mit welcher letztere die Brennkraftmaschine beim Starten
rotiert, wobei die Steuereinrichtung dafür vorgesehen ist, nicht nur
zu überwachen,
wenn das Batterieladeniveau sich beim Maximum befindet, sondern
auch, wenn es ein vorbestimmtes Niveau erreicht, welches geringer
als das maximale Niveau ist und an welchem die Brennkraftmaschine
gestartet werden muss.
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Die oben beschriebene Maschine wird
wie folgt betrieben.
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Wenn sie innerhalb betrieben wird,
wird die Brennkraftmaschine ausgeschlossen bzw. abgeschaltet und
der Elektromotor, welcher wenigstens ein Antriebsrad der Maschine
betreibt, wird ausschließlich
von der Batterie versorgt.
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Wenn die Maschine außerhalb
verwendet wird, wird der elektrische Betriebsmotor noch immer durch
die Batterie versorgt, welche aus diesem Grund die Hauptenergiequelle
der Maschine bildet, wobei die Brennkraftmaschine nur dann gestartet wird,
wenn das Batterieladeniveau unter das vorbestimmte Niveau fällt.
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Des weiteren können, wenn die Brennkraftmaschine
rotiert, die folgenden Situationen auftreten, nämlich eine, in welcher die
von der Maschine oder dem Permanentmagnet-Elektromotor produzierte elektrische
Energie diejenige überschreitet,
die von dem das Antriebsrad betreibenden Motor aufgenommen wird,
was zum Beispiel während
des normalen Maschinentransfers auftreten kann, und eine, in welcher
die von der Maschine oder dem Permanentmagnet-Motor produzierte
elektrische Energie geringer ist als diejenige, die von dem das
Antriebsrad betreibenden Motor aufgenommen wird, was zum Beispiel auftreten
kann, wenn die Maschine eine Steigung befährt.
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Im ersten Fall wird die überschüssige Energie
verwendet, um die Batterie zu laden, und die Brennkraftmaschine
wird angehalten, wenn letztere ihr Optimum und ihr Ladeniveau erreicht
hat.
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Im zweiten Fall wird das Energiedefizit
durch die Batterie ausgeglichen, welche in dieser Situation als
eine elektrische Pufferquelle dient.
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Die oben beschriebene Maschine hat
sich zumindest aus den nachfolgenden Gründen als nicht befriedigend
herausgestellt.
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Zunächst können die beim Starten der Brennkraftmaschine
auftretenden Arbeitsabläufe, welche
aus den oben genannten Gründen
erforderlich sind, mit der Zeit zu Problemen bezüglich der Haltbarkeit und der
Zuverlässigkeit
der betroffenen Elemente führen,
insbesondere, wenn man die Tatsache betrachtet, dass der Permanentmagnet-Motor, wie
oben angeführt,
eine Doppelfunktion ausführt. Des
weiteren muss die Batterie, unter der Betrachtung, dass sie, wie
oben angeführt,
die Hauptenergiequelle der Maschine bildet, notwendigerweise besonders
leistungsfähig
und somit besonders schwer (und teuer) sein, wobei ihr Gewicht einen
Balast bildet, welcher in nachteiligem Energieverbrauch unter allen Betriebsbedingungen
der Maschine resultiert.
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Die
DE 19633194 A beschreibt eine Antriebseinheit
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 für
einen Hybrid-Antrieb,
der eine Brennkraftmaschinen/Generator-Einheit, einen elektrisch mit dem Generator
verbundenen Energiespeicher und einen elektrischen Antriebsmotor
aufweist, der mit dem Generator und dem Energiespeicher elektrisch
verbunden ist. Der Energiespeicher weist eine geringe Speicherkapazität (100 Wh)
auf, jedoch eine hohe Leistungsdichte, und ist als Schwungrad oder
als ein Superkondensator ausgebildet.
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Der Zweck des in der D1 beschriebenen
Antriebs ist es, die Luftverschmutzung soweit wie möglich zu
reduzieren, und dieser Zweck wird dadurch erreicht, dass die Betriebscharakteristik
zum Steuern des Betriebs der Brennkraftmaschine auf der Leistungsanforderungskurve
des Elektromotors basiert, welche gemäß einer der bekannten Methoden
geglättet
wird, wobei die Brennkraftmaschine mit oder im Bereich ihrer vollen
Belastung betrieben wird.
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Wenn die Leistungsanforderung an
den Elektromotor sich plötzlich
erhöht,
reagiert die Brennkraftmaschine nicht auf die tatsächliche
Leistungsanforderungskurve, sondern auf eine geglättete Kurve, wodurch
eine plötzliche
Leistungsänderung
der Brennkraftmaschine und eine plötzliche Verstellung der Drosselklappe
derselben verhindert wird, wodurch sich ansonsten erhöhte Schadstoffwerte
ergeben würden.
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Mit anderen Worten, der Energiespeicher dient
dazu, die kurzfristig auftretenden Leistungsunterschiede zwischen
den momentanen Leistungsanforderungen des elektrischen Antriebsmotors
und der Leistung, welche gleichzeitig von der Brennkraftmaschine
abgegeben wird, für
diejenige Zeit zu kompensieren, die erforderlich ist, um die Leistungskurve
der Brennkraftmaschine sanft anzupassen.
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Die Möglichkeit, dass die erforderliche
Antriebsenergie nur von dem Energiespeicher entnommen werden kann,
auch wenn die Leistungsanforderung sehr gering ist, sollte im Hinblick
auf die sehr geringe Speicherkapazität des Speichers ausgeschlossen
werden.
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Die hauptsächliche Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht darin, das oben genannte, im Sinne einer einfachen,
vernünftigen
und zuverlässigen
Konstruktion zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird mittels der in
den Ansprüchen
angegebenen kennzeichnenden Merkmale erreicht.
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Insbesondere ist innerhalb einer
Antriebseinheit für
selbstfahrende Maschinen, welche eine Brennkraftmaschine mit einem
zugehörigen
Startermotor, eine mit dem Motor über eine Starterkontrolleinrichtung
elektrisch verbundene, aufladbare Batterie, einen zum Aufladen der
Batterie unter der Steuerung der Brennkraftmaschine vorgesehenen
Stromgenerator, wenigstens einen mit dem Generator verbundenen und
zum Betreiben wenigstens eines Maschinenelements, wie zum Beispiel
eines Antriebsrads, vorgesehenen Elektromotor und eine Betriebs- und
Steuereinrichtung für
die Elemente aufweist, gemäß der Erfindung
die Brennkraftmaschine mit dem Generator permanent verbunden, um,
wenn die Batterie normalerweise ausgeschlossen und die Maschine
nicht unter besonders harten Bedingungen arbeitet, den wenigstens
einen Betriebsmotor mit der für seinen
Betrieb erforderlichen Energie zu versorgen, plus einem Überstrom,
der dafür
vorgesehen ist, falls notwendig, die Batterie über die Einrichtung aufzuladen.
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Der Generator ist bequemerweise von
einer selbst regulierten Bauart, d. h. er ist dafür vorgesehen,
genau die erforderliche Energiemenge bereit zu stellen.
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Vorzugsweise ist der Stromgenerator
in der Lage, Energie entsprechend der maximalen Aufnahme der Maschine
unter normalen Betriebsbedingungen zur Verfügung zu stellen, d. h. wenn
sämtliche elektrischen
Benutzungsgegenstände,
sowohl hauptsächliche
als auch sekundäre,
aktiviert sind, plus dem Überstrom.
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Des weiteren sind die Batterie, der
Generator und die Betriebs- und Steuereinrichtung in einer derartigen
Weise miteinander verbunden, dass die Batterie als eine zusätzliche
Energiequelle dient, wenn, unter besonders harten Betriebsbedingungen,
die von dem Generator zur Verfügung
gestellte Energie nicht ausreichend ist.
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Sämtliche
Aufgaben der Erfindung werden durch die oben genannte Lösung erreicht.
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In diesem Zusammenhang bestehen der Startermotor
und der Stromgenerator aus üblicherweise
separaten Vorrichtungen, welche eine spezielle Funktion aufweisen
und somit nicht durch die Haltbarkeits- und Zuverlässigkeitsprobleme
beeinträchtigt
werden, welche die in dem in der Einführung genannten Dokument angegebene
Doppelfunktion der elektrischen Startvorrichtung betreffen.
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Des weiteren, weil die Batterie nicht
die Hauptenergiequelle der Maschine bildet, sondern, außer wenn
die Maschine in einer geschlossenen Umgebung betrieben wird, nur
unter besonders harten Betriebsbedingungen verwendet wird, zum Beispiel
beim Befahren einer bergaufführenden
Strecke, kann sie eine relativ geringe Leistung und somit ein entsprechend
geringes Gewicht mit einem offensichtlich geringerem Leistungsverlust
unabhängig
von den Betriebsbedingungen der Maschine aufweisen.
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Die Brennkraftmaschine kann von der
Diesel- oder Otto-Bauart
sein und kann nur für
die normale Verwendung dimensioniert sein, d. h. für nicht besonders
harte Bedingungen.
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Vorzugsweise weist sie eine konstante
Drehzahl auf.
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Alternativ kann sie eine variable
Drehzahl aufweisen. In diesem Fall ist sie bevorzugter Weise von
der Betriebs- und Steuereinrichtung in einer derartigen Weise gesteuert,
um, basierend auf den Anforderungen, automatisch zu beschleunigen
und zu verzögern,
mit offensichtlichen Vorteilen bezüglich Verbrauch, Geräusch und
Emissionen.
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Die Eigenschaften und konstruktionellen Vorteile
der Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung
unter Bezugnahme auf die Figuren der beigefügten Zeichnung, welche eine besonders
bevorzugte Ausführungsform
derselben mittels eines nicht einschränkenden Beispiels darstellen.
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1 ist
eine transparente Seitenansicht, welche eine Antriebseinheit gemäß der Erfindung
in Verbindung mit einer Straßenkehrmaschine
zeigt.
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2 ist
eine Teilansicht von oben der vorhergehenden Figur im vergrößerten Maßstab.
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3 ist
ein elektrisches Schema, welches die Hauptverbindungen der Erfindung
zeigt, in welchem die mechanischen Verbindungen durch Linien in
der Form von drei parallelen, durchgezogenen Segmenten, elektrische
Verbindungen durch einzelne Volllinien und elektrische Betriebs-
und Steuer-Verbindungen durch dünne
gestrichelte Linien angedeutet sind.
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Es sollte zunächst festgehalten werden, dass
die Anwendung der Erfindung bei einer Straßenkehrmaschine 10,
wie der dargestellten, in keiner Weise als ein einschränkender
Faktor angesehen werden muss, weil die Erfindung auch für andere
Anwendungen gut geeignet ist, wie zum Beispiel eine Bodenreinigungsmaschine,
einen Rasenmäher
oder ein Fahrzeug für
behinderte Personen.
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Zusammenfassend weist die Straßenkehrmaschine 10 einen
Rahmen 11, ein Fahrerhaus 12, zwei vordere, seitlich
gegenüberliegende,
konische Bürsten 13,
welche jeweils mit einem Elektromotor 130 versehen und
in der Höhe einstellbar
sind, ein lenkbares Rad 14 an seiner Hinterseite, eine
hintere, horizontale, zylindrische Querbürste 15, welche von einem
Elektromotor 150 angetrieben wird, zwei Antriebsräder 16 an
seiner Hinterseite, welche durch einen Elektromotor 160 betrieben
werden, und einen hinteren Schmutzsammelbehälter 17 mit einem
entsprechenden darüber
liegenden Filter 44 auf, der innerhalb des Behälters 17 angeordnet
ist.
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Die genannten Elektromotoren 130, 150 und 160 repräsentieren
die Benutzungsgegenstände, welche
einen Großteil
der während
der Benutzung der Maschine 10 auftretenden elektrischen
Energie absorbieren bzw. aufnehmen, wobei andere elektrische Servicevorrichtungen,
wie zum Beispiel eine motorgetriebene Pumpeneinheit (nicht sichtbar)
zum Betreiben der Zylinder-Kolben-Einheit 18,
welche die Motorhaube 19 öffnet, optische Einheiten,
eine Saugeinheit, eine Filtervibriereinheit, eine komplette Verkabelung,
ein Armaturenbrett und Einrichtungen zum Betreiben und Steuern der
gesamten Maschinenanordnung vorgesehen sind.
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Unter dem Sitz, welcher aus offensichtlichen Gründen geneigt
werden kann, befindet sich die Antriebseinheit 21 der Erfindung,
welche auf einer gedämpften
Trägerplatte 22 angeordnet
ist.
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Die Einheit 21 weist eine
Brennkraftmaschine 1 auf, welche auf der Platte 22 befestigt
ist, wobei auf ihrer Ausgangswelle 2 eine verzahnte Riemenscheibe 3 und ein
Zahnkranz 4 mit einer Außenverzahnung aufgekeilt sind.
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Vor der Welle 2 befindet
sich ein Startermotor 5 mit einem zugehörigen beweglichen verzahnten Ritzel 55,
um den Zahnkranz 4 anzutreiben und gleichzeitig die Brennkraftmaschine 1 zu
starten.
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Der Motor 5 ist von gewöhnlicher
Bauart in dem Sinn, dass sobald die Brennkraftmaschine 1 gestartet
wurde, das verzahnte Ritzel 55 in seine in 2 dargestellte Ruheposition zurückgezogen wird.
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An der Seite des Motors 5 ist
ein Stromgenerator 6 angeordnet, auf dessen Rotorwelle
eine verzahnte Riemenscheibe 66 aufgekeilt ist, wobei ein Zahnriemen 7 endlos
um die Riemenscheibe 66 und um die auf der Welle 2 der
Brennkraftmaschine 1 angebrachte Riemenscheibe 3 umläuft.
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Insbesondere wird eine korrekte Spannung des
Riemens 7 durch Schwenken des Generators 6 gegenüber der
Platte 22 um einen unteren Stift 8 und Schwenken
desselben an seiner Oberseite gegenüber einem Arm 9 mit
einem einstellbaren Verbindungspunkt sichergestellt.
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Des weiteren sind eine aufladbare
Batterie sowie eine Betriebs- und Steuereinrichtung für die Maschinenanordnung 10 vorgesehen,
wobei diese bei dem dargestellten Beispiel auf der Platte 22 positioniert
und mit 77 bzw. 88 bezeichnet sind.
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Der Stromgenerator 6 ist
direkt mit der Batterie 77 mittels einer gewöhnlichen
automatischen Ladestopvorrichtung 100 (siehe 3) verbunden und ist auch
direkt mit den Versorgungen (S1, S2, S3 in 3) mittels Schaltern verbunden. Er ist
auch mit der elektronischen Steuereinrichtung 88 verbunden.
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Die Batterie 77 ist mit
den Versorgungen oder Benutzungsgegenständen nur über die elektronische Betriebs- und Steuereinrichtung 88 verbunden.
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Die Einrichtung 88 weist
insbesondere ein elektronisches Versorgungssystem, zum Beispiel
ein MOSFET-System,
ein elektronisches Steuersystem, zum Beispiel ein HITACHI HS/3644-Microprozessorsystem,
ein elektronisches Anzeigesystem, ein elektronisches Steuersystem
und ein elektronisches Peripherie-Selbstdiagnosesystem auf.
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Die Brennkraftmaschine 1 kann
von der Otto- oder Diesel-Bauart sein.
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In dem dargestellten Beispiel weist
sie eine konstante Drehzahl auf.
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Alternativ kann sie eine variable
Drehzahl aufweisen, um die Leistungsanforderungen der Benutzungsgegenstände während des
Betriebs im jeweiligen Zeitpunkt durch Erhöhen oder Verringern anzupassen.
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Die alternative Lösung weist sowohl bezüglich des
Kraftstoffverbrauchs, dadurch, dass die verwendete Kraftstoffmenge
exakt der erforderlichen Leistung entspricht, als auch bezüglich der
Geräuschentwicklung
Vorteile auf, und zwar aufgrund der Tatsache, dass bei geringer
Drehzahl, zum Beispiel während
des Maschinentransfers, die Brennkraftmaschine 1 praktisch
mit minimaler Drehzahl rotiert.
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Die hauptsächlichen Eigenschaften der wichtigsten
Benutzungsgegenstände
der dargestellten Straßenkehrmaschine 10 werden
nachstehend anhand eines Beispiels angegeben.
- – Motor 5:
250 W
- – Brennkraftmaschine 1:
4100 oder 4900 W
- – Generator 6:
2200 oder 2800 W
- – Batterie 77:
24 V; 80 A, 140 A, 240 A, oder 300 A
- – Motor 160:
750 W
- – Motor 150:
500 W
- – Motor 130:
2 × 90
W
- – Saugeinheit:
2 × 150
W
- – Filtervibrationseinheit:
2 × 60
W
- – Behälteröffnungseinheit:
500 W
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Die Erfindung wird wie folgt betrieben.
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Wenn die Maschine innerhalb verwendet wird,
wird die Brennkraftmaschine 1 mittels eines geeigneten,
von dem Fahrerhaus 12 zu der Einrichtung 88 zugeführten Signals
ausgeschlossen und die aktivierten Benutzungsge genstände werden
von der Batterie 77 mit Energie versorgt.
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Wenn jedoch die Maschine außerhalb
verwendet wird, wird die Brennkraftmaschine 1 gestartet und
der Generator 6 erzeugt den zumindest für die hauptsächlichen
Maschinenvorrichtungen erforderlichen Strom plus mindestens einem Überstrom
zum Aufladen der Batterie 77, falls notwendig.
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Wenn die Batterie 77 ihr
maximales Ladeniveau erreicht hat, wird die Verbindung zwischen
der Batterie und dem Generator unterbrochen (um die Integrität der Batterie
zu schützen)
und der gesamte erzeugte Strom wird den aktivierten Benutzungsgegenständen zugeführt.
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Wie bereits zu Beginn angeführt, ist
der Generator 6 vorzugsweise in der Lage, den gesamten Strom
zu erzeugen, der zum Betreiben aller Benutzungsgegenstände (sowohl
der hauptsächlichen
als auch der sekundären)
der Maschine erforderlich ist plus dem Überstrom zum Laden der Batterie.
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Wenn die Betriebsbedingungen eher
hart und derart werden, dass der Generator nicht mehr in der Lage
ist, die notwendige Energie zur Verfügung zu stellen, zum Beispiel
wenn die Maschine vor einem steilen Aufstieg steht, und wenn möglicherweise die
Benutzungsgegenstände
eingeschaltet sind, versorgt der Generator 6 (mit einem
Motor mit entweder konstanter oder variabler Drehzahl gekoppelt)
die gesamte Energie, die er erzeugen kann, und die Batterie wird
aufgrund der Ansteuerung durch die elektronische Einrichtung 88 mit
dem Zuführkreislauf
für die aktivierten
Benutzungsgegenstände
verbunden, um den Energiemangel auszugleichen.
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Wenn diese Situation nicht mehr besteht, wird
die Batterie automatisch von den Benutzungsgegenständen abgekoppelt
und der Generator versorgt die zu diesem Moment aktivierten Benutzungsgegenstände alleine.
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Schließlich ist in der 3 der Schalter, der zum
Starten des Motors 5 vorgesehen ist, mit 101 bezeichnet.
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Der Wert und die Vorteile der Erfindung
werden aus dem oben genannten deutlich.