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Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Hybridantrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Im Zuge des Bestrebens nach energieverbrauchsoptimierten Antrieben werden zunehmend auch bei kommunalen Nutzfahrzeugen, beispielsweise bei Müllsammelfahrzeugen, Hybridantriebe verwendet.
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In vielen Fällen, beispielsweise bei den eingangs genannten Abfallsammelfahrzeugen, lassen sich grundsätzlich zwei Betriebsmodi unterscheiden, die im Hinblick auf ihre Anforderungen an den Antrieb sehr unterschiedlich ausgeprägt sind. So bestehen beispielsweise bei einer Überlandfahrt mit vergleichsweise hohen Geschwindigkeiten vergleichsweise hohe Leistungsanforderungen an den konventionellen Fahrantriebsstrang, während beim Stehen bzw. beim Fahren im Sammelgebiet und beim Betrieb der Aufbauhydraulik demgegenüber vergleichsweise geringe Leistungsanforderungen bestehen. Nutzt man dann beispielsweise während dieses Abfallsammelbetriebes den starken Verbrennungsmotor des Fahrantriebsstrangs zur Druckmittelversorgung der Aufbauhydraulik und zum Fahren des Fahrzeugs im Sammelgebiet mit sehr niedrigen Geschwindigkeiten, so stellt sich ein vergleichsweise hoher Kraftstoffverbrauch ein.
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In der
EP 1 925 491 A2 wird zur Überwindung dieses Nachteils ein elektrischer Hybridantrieb vorgeschlagen, bei dem während der Überlandfahrt der konventionelle Fahrantriebsstrang mit einem leistungsstarken Verbrennungsmotor aktiv ist. Beim eigentlichen Müllsammeln mit dem dabei erforderlichen Stop-and-Go-Betrieb versorgt das elektrische System des Hybridantriebs sowohl einen elektrischen Fahrmotor als auch die Aufbauhydraulik und sonstige Nebenaggregate des Fahrzeugs, wie beispielsweise die Servolenkung, Klimakompressor, Bordnetz, etc. mit Strom.
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Ein wesentlicher Nachteil derartiger elektrischer Hybride besteht in dem außerordentlichen hohen Aufwand für die elektrischen Energiespeicher und für den elektrischen Antrieb, der die Fahrzeugkosten stark bestimmt.
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Wesentlich kostengünstiger sind hydraulische Hybride, wie sie beispielsweise in der
US 3,599,814 beschrieben sind. Diese Druckschrift offenbart ein Nutzfahrzeug mit einem konventionellen Fahrantriebsstrang mit Verbrennungsmotor und einen zusätzlichen hydraulischen Hilfsantrieb, bei dem ein weiterer Verbrennungsmotor eine Pumpe antreibt, über die dann die hydraulischen Verbraucher des Fahrzeugs mit Druckmittel versorgt werden. Beim Stop-and-Go-Betrieb – im vorliegenden Fall bei der Verwendung des Fahrzeugs auf einer Baustelle – wird das Fahrzeug über den zusätzlichen hydraulischen Antrieb bewegt und der Verbrennungsmotor des konventionellen Fahrantriebsstranges abgestellt. Dieser ist somit lediglich bei der Überlandfahrt des Fahrzeugs aktiv, wenn die hohe Leistung des Verbrennungsmotors abgerufen werden soll.
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Nachteilig bei dieser Lösung ist jedoch, dass bei gleichzeitiger Bewegung des Fahrzeugs auf der Baustelle und Ansteuerung der Verbraucher, der vergleichsweise kleine Verbrennungsmotor des hydraulischen Hilfsantriebs nicht genügend Leistung bereit stellt, so dass aufgrund der Unterversorgung mit Druckmittel die entsprechenden Fahr- und Stellbewegungen verlangsamt werden.
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In der
DE 32 35 825 A1 ist ein Abfallsammelfahrzeug mit einem konventionellen Antriebsstrang zur Fortbewegung des Fahrzeugs und einem Nebenantriebsstrang mit einer Hydromaschine zum Antrieb von Verbrauchern des Fahrzeugs, beispielsweise während des Abfallsammelns offenbart. Beide Antriebsstränge werden über den Verbrennungsmotor des konventionellen Fahrantriebs angetrieben, dessen Leistung im Hinblick auf den Fahrbetrieb ausgelegt ist und somit während des Sammelbetriebs überdimensioniert ist.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen hydraulischen Hybridantrieb zu schaffen, bei dem die Ansteuerung der Verbraucher in unterschiedlichen Betriebsmodi verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen hydraulischen Hybridantrieb mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß hat der hydraulische Hybridantrieb einen ersten Verbrennungsmotor, der einen mechanischen Fahrantriebsstrang antreibt. Des Weiteren hat der Hybridantrieb einen Hilfsverbrennungsmotor, dem zumindest eine Verbraucherhydromaschine zur Druckmittelversorgung von hydraulischen Verbrauchern und Nebenverbrauchern zugeordnet ist. Dabei ist in einem Druckmittelströmungspfad zwischen der Verbraucherhydromaschine und dem oder den Verbrauchern ein Ventilblock angeordnet, über den die Druckmittelströmung im Zulauf und im. Ablauf des Verbrauchers gesteuert wird. Dem ersten, dem konventionellen Fahrantriebsstrang zugeordneten Verbrennungsmotor ist eine Hilfshydromaschine zugeordnet, über die die Nebenverbraucher des Systems auch mit Druckmittel versorgt werden können. Erfindungsgemäß können somit diese Nebenverbraucher, wie beispielsweise ein Generator, ein Klimakompressor, eine Servopumpe der Lenkung, etc. je nach Betriebszustand des Fahrzeugs sowohl über den leistungsstarken Verbrennungsmotor des konventionellen Fahrantriebsstrangs oder aber über den Hilfsverbrennungsmotor mit Druckmittel versorgt werden, wobei das Umschalten weitestgehend automatisch über einen Fahrzeugführungsrechner erfolgen kann.
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Auf diese Weise ist der Betrieb der Nebenverbraucher in jedem Betriebszustand des Hybridantriebs mit jeweils optimalem energetischem Aufwand möglich.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat der Hybridantrieb einen dem ersten Verbrennungsmotor zugeordneten Fahrantriebshydromotor, der über den Ventilblock in Druckmittelverbindung mit dem Verbraucherhydromotor bringbar ist, so dass der Fahrantrieb sowohl hydraulisch als auch konventionell angetrieben werden kann. Der Fahrantriebshydromotor ist des Weiteren mit dem Hydrospeicher verbindbar, so dass dieser beim Bremsen aufgeladen (regeneratives Bremsen) oder aus dem Hydrospeicher mit Druckmittel versorgt werden kann.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, einen Nebenverbraucher auch über einen Ventilblock mit dem Hydrospeicher oder mit der Verbraucherhydromaschine zu verbinden, so dass der Nebenverbraucher je nach Betriebszustand über die Hilfshydromaschine oder die Verbraucherhydromaschine bzw. dem Hydrospeicher mit Druckmittel versorgt werden kann.
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Der Antriebsstrang hat vorzugsweise ein Verteilergetriebe zur Kopplung des mechanischen und des hydraulischen Antriebsstrangs.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, den ersten Verbrennungsmotor mit einer höheren Leistung als den Hilfsverbrennungsmotor auszuführen.
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Der Hybridantrieb kann bei Nutzfahrzeugen, beispielsweise Müllsammelfahrzeugen verwendet werden. Prinzipiell ist die Anwendung auch bei Fahrzeugen und Maschinen vorteilhaft, bei denen zwei Betriebszustände vorkommen, die mit stark unterschiedlichen Leistungsanforderungen einhergehen.
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Die beiden Verbrennungsmotoren sind bei einer Variante als Dieselmotoren ausgeführt.
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Der Ventilblock oder die Ventilanordnung zur Druckmittelverbindung mit der Arbeitshydraulik, den Nebenverbrauchern und/oder einer Fahrantriebshydromaschine kann mit einem Speicheranschluss, einem Tankanschluss, zumindest einem Nebenverbraucheranschluss und zumindest einem Verbraucherausgangsanschluss ausgeführt sein.
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Die Ansteuerung des Hybridantriebs erfolgt derart, dass der oder die Nebenverbraucher jeweils über eine vom jeweils aktiven Verbrennungsmotor angetriebenen Hydromaschine mit Druckmittel versorgt werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird im Folgenden anhand einer einzigen Zeichnung erläutert, die ein Schaltbild eines dieselhydraulischen Hybridantriebs zeigt. Die Erfindung wird anhand eines hydraulischen Hybridantriebs 1 für ein Abfallsammelfahrzeug erläutert. Ein derartiges Abfallsammelfahrzeug hat einen konventionellen Fahrantriebsstrang 2 sowie einen hydraulischen Antriebsstrang 4 zur Druckmittelversorgung von hydraulischen Verbrauchern 6, beispielsweise der Aufbauhydraulik des Abfallsammelfahrzeugs.
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Der Fahrantriebsstrang 2 hat einen ersten Verbrennungsmotor 8, der über ein Getriebe 10 mit einer Kupplung mechanisch über eine Antriebswelle 12 oder dergleichen mit einem Verteilergetriebe 14 verbunden ist, dessen Ausgangswelle 16 Räder 18 des Fahrzeugs direkt oder über ein Differential 20 antreibt. Die Ansteuerung des ersten Verbrennungsmotors 8 erfolgt bei modernen Abfallsammelfahrzeugen über eine Fahrerschnittstelle 22, beispielsweise über ein Fahrpedal, über einen Joystick oder dergleichen, dessen Signal über einen Fahrzeugführungsrechner 24 in ein Steuersignal zur Steuerung der ersten Verbrennungsmaschine 8 umgesetzt wird. In der Darstellung sind die Signalleitungen mit dünnen Linien dargestellt, während im Folgenden näher erläuterte hydraulische Leitungen mit größerer Strichstärke dargestellt sind. Demgemäß erfolgt auch das Schalten des Getriebes 10 in Abhängigkeit von dem über die Fahrerschnittstelle 22 eingestellten Signal. Die entsprechenden Signalleitungen sind mit den Bezugszeichen 26 und 28 versehen.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel treibt der erste Verbrennungsmotor 8 eine Hilfshydromaschine 30 an, die vorzugsweise als Hydropumpe ausgeführt ist, um hydraulisch angetriebene Nebenverbraucher, wie beispielsweise einen Klimakompressor, eine Lenkpumpe bzw. einen Lenkmotor einer Servolenkung, einen Generator zur Erzeugung der Spannung für das Bordnetz, etc. hydraulisch anzutreiben.
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In dem schematischen Schaltbild ist lediglich eine Druckleitung 34 zwischen der Hilfshydropumpe 30 und den Nebenverbrauchern 32 eingezeichnet – der Ablauf von diesen hydraulischen Nebenverbrauchern 32 zu einem Tank T ist der Einfachheit halber nicht dargestellt.
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Der hydraulische Antriebsstrang 4 hat einen eigenen Hilfsverbrennungsmotor 36, der eine Verbraucherhydromaschine 38, beispielsweise eine Pumpe antreibt. Ein Druckanschluss dieser Pumpe 38 ist über eine Pumpenleitung 40 an einen Ventilblock 42 oder eine in der Funktion entsprechende Wegeventilanordnung angeschlossen. Die Ansteuerung dieses Ventilblocks 42 (Mobilsteuerblock) erfolgt über eine elektrische Hydraulik-Steuereinheit 44, die ihrerseits über den Fahrzeugführungsrechner 24 angesteuert wird, um den Ventilblock 42 zur Ansteuerung der Verbraucher 6 zu verstellen.
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Wie in der Figur angedeutet, ist die Steuereinheit 44 über Steuerleitungen 46, 48, 50, 52 oder ein Bussystem mit dem Hilfsverbrennungsmotor 36, der Verbraucherhydromaschine 38, dem Ventilblock 42 und den einzelnen hydraulischen Verbrauchern der Aufbauhydraulik oder dergleichen verbunden. Der Ventilsteuerblock 42 hat neben einem mit der Pumpenleitung 40 in Druckmittelverbindung stehenden Druckanschluss P eine Vielzahl von Verbraucheranschlüssen A, die in der Abbildung zusammengefasst sind und die über Arbeitsleitungen 54 mit dem jeweiligen Verbraucher 6 hydraulisch verbunden sind. Des Weiteren ist der Ventilblock 42 mit einem Speicheranschluss S ausgeführt, an den ein Hydrospeicher 56 angeschlossen ist. Der Ventilblock 42 hat des Weiteren einen oder mehrere weitere Arbeitsanschlüsse B, die über eine oder mehrere Nebenverbraucherleitungen 58 hydraulisch mit den eingangs genannten Nebenverbrauchern 32 verbunden sind, so dass diese wahlweise oder parallel über den Ventilblock 42 oder die Hilfshydromaschine 30 mit Druckmittel versorgbar sind.
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Der Ventilblock 42 bzw. die diesen ausbildende Wegeventilanordnung hat des Weiteren einen Arbeitsanschluss C, der über eine Versorgungsleitung 60 mit einer Fahrantriebshydromaschine 62 verbunden ist, deren Ausgangswelle in Wirkeingriff mit dem Verteilergetriebe 14 steht, so dass durch dessen Ansteuerung über den Fahrzeugsführungsrechner 24 und eine elektrische Leitung 66 entweder der konventionelle Fahrantrieb oder das von Fahrantriebshydromaschine 60 im Motorbetrieb bereit gestellte Drehmoment oder sowohl der konventionelle Antrieb als auch der hydraulische Antrieb die Ausgangswelle 16 und somit die Räder 18 antreiben. Je nach Betriebszustand des Abfallsammelfahrzeugs kann der Fahrantrieb also hydraulisch, konventionell (mechanisch) oder auch hydraulisch und konventionell angetrieben werden, wobei die Drehmomentanteile je nach Betriebszustand über das Verteilergetriebe 14 variabel gesteuert werden können. Dementsprechend erfolgt die Ansteuerung der Fahrantriebshydromaschine 62 über den Fahrzeugführungsrechner 24 bzw. die Steuereinheit 44; die entsprechende Signalleitung ist mit dem Bezugszeichen 64 versehen.
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Das Abfallsammelfahrzeug ist mit einem regenerativen Bremssystem ausgeführt, so dass beim Abbremsen des Fahrzeugs die Fahrantriebshydromaschine 62 als Hydromotor wirkt und somit bei entsprechender Ansteuerung des Ventilblocks 42 den Hydrospeicher 56 auflädt.
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Im „normalen” Fahrbetrieb des Fahrzeugs werden die Räder 18 überwiegend über den konventionellen Fahrantrieb mit dem mit hoher Leistung ausgeführten Verbrennungsmotor 8 angetrieben. Während der erläuterten Sammelfahrt mit dem Stop-and-Go-Betrieb und den dabei vergleichsweise geringen Geschwindigkeiten im Bereich von 30 km/h erfolgt der Antrieb durch entsprechende Steuerung des Fahrzeugführungsrechners 24 überwiegend hydraulisch über die Fahrantriebshydromaschine 62, wobei diese zum einen direkt über die vom Hilfsverbrennungsmotor 36 angetriebene Verbraucherhydromaschine 38 oder aber alternativ oder zusätzlich über den Hydrospeicher 56 mit Druckmittel versorgt wird. Das Aufschalten des Hydrospeichers 56 und/oder der Verbraucherhydromaschine 38 erfolgt wiederum über den Fahrzeugsführungsrechner 24. Wie erläutert werden über den Ventilblock 42 auch die insbesondere während der Sammelfahrt angesteuerten Verbraucher 6 mit Druckmittel versorgt.
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Die eingangs erläuterten Nebenverbraucher 32 werden je nach Betriebszustand des Fahrzeugs entweder über die vom ersten Verbrennungsmotor 8 angetriebene Hilfshydromaschine 30 oder über die Verbraucherhydropumpe 38 und den Ventilblock 42 mit Druckmittel versorgt, so dass deren Funktion in jedem Betriebszustand des Abfallsammelfahrzeugs gewährleistet ist und dabei im Prinzip die Hydromaschine des jeweils aktiven Verbrennungsmotors genutzt wird, so dass insbesondere im Stop-and-Go-Betrieb der Energieverbrauch minimiert ist. Ein Vorteil des Hydrospeichers 56 besteht auch darin, dass dieser es ermöglicht, den Hilfsverbrennungsmotor 36 mit vergleichsweise geringer Leistung auszulegen, da dieser durch die im Hydrospeicher 56 gespeicherte hydraulische Energie in den Betriebszuständen mit geringer und mittlerer Leistungsanforderung unterstützt werden kann.
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Die hydraulische Steuereinheit 44 ist so ausgelegt, dass sie bei Erkennung der Betriebsmodi die Verbrennungsmotoren 8, 36 entsprechend aktiviert/deaktiviert und die Hydraulikkomponenten somit über den jeweilig aktiven Verbrennungsmotor ansteuert.
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Alternativ kann die die Aktivierung und Deaktivierung der Verbrennungsmotoren 8, 36 auch manuell erfolgen.
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Durch diese Vorgehensweise wird zum einen der Kraftstoffverbrauch des Abfallsammelfahrzeugs durch Nutzung der beiden Verbrennungsmotoren in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebsmodus optimiert. Des Weiteren ist das erfindungsgemäße System auch in bestehende hydraulische Lösungen integrierbar. Diese bestehenden hydraulischen Lösungen können beispielsweise eine hydraulische Presse zur Kompaktierung des Abfalls oder ein herkömmliches regeneratives Bremssystem sein.
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Die vorgestellte Lösung lässt sich des Weiteren wesentlich kostengünstiger als die eingangs beschriebenen elektrischen Hybridantriebe ausbilden.
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Die Anmelderin behält es sich vor, auf die Ausgestaltung eines Hybridantriebs mit einem ersten Verbrennungsmotor und einem Hilfsverbrennungsmotor sowie einen Hydrospeicher in einem hydraulischen Antriebsstrang einen eigenen unabhängigen Anspruch zu richten.
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Offenbart ist ein hydraulischer Hybridantrieb mit einem ersten Verbrennungsmotor, der einen mechanischen Fahrantriebsstrang antreibt, und mit einem Hilfsverbrennungsmotor, der zumindest eine Verbraucherhydromaschine zur Druckmittelversorgung von hydraulischen Verbrauchern antreibt. Im Druckmittelströmungspfad zwischen dem Verbraucherhydromotor und den hydraulischen Verbrauchern ist ein Ventilblock zur Steuerung der Druckmittelströmung im Zulauf und m Ablauf des Verbrauchers angeordnet. Der hydraulische Hybridantrieb hat des Weiteren eine Hilfshydropumpe zur Druckmittelversorgung von Nebenverbrauchern, die alternativ oder zusätzlich auch über die Verbraucherhydromaschine mit Druckmittel versorgbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1925491 A2 [0004]
- US 3599814 [0006]
- DE 3235825 A1 [0008]
