DE2451021B2 - Vorrichtung zum Einspeichern bzw. Ausspeichem von Bremsenergie in einen bzw. aus einem Schwungmassenspeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einspeichern bzw. Ausspeichern von Bremsenergie in einen bzw. aus einem Schwungmassenspeicher, der über ein Getriebe mit einer umlaufenden, abzubremsende,! bzw. anzutreibenden Welle in Verbindung steht, wobei das Getriebe mit einem ersten Ausgang mit dem Schwungmassenspeicher verbunden ist.

Bei Fahrzeugen, bei denen zum Einspeichern der Bremsenergie ein Schwungradspeicher verwendet werden soll, tritt insbesondere das Problem auf, daß eine mit den Rädern verbundene Welle aufgrund der Bremswirkung langsamer werden soll, während aufgrund der entzogenen Bremsenergie ein Schwungrad beschleunigt werden soll. Beim Abgeben der eingespeicherten Bremsenergie beispielsweise zum Beschleunigen des Fahrzeuges liegen die Verhältnisse umgekehrt: während das Schwungrad abgebremst werden soll, muß sich das Fahrzeug beschleunigen. Aufgrund des gegensätzlichen Drehzahlverhaltens von Fahrwerk und Schwungrad mußte man bisher die Bremsenergie beispielsweise über einen elektrischen Generator in elektrische Energie umwandeln und somit dem Schwungrad zuführen. Nach diesem l'rin/ip arbeitet /. B. die aus der GB-PS 12 IJ IHO bekannte Vorrichtung, bei der allerdings keine Ur':msi:riergie, sondern vom Fahr/cugmotor abge-/v/':ij.'t>: t.m:r>?ie in den Schwungmassenspcicher ein-•.[i'-.i' hi:rb;ir iM Dies hat /um Nachteil, daß die gesamte lir':rri',l<:i',tiin>? nber einen entsprechend zu dimcnsionie-."ti'I'ti (,ι-Mcriitor und !elektroantrieb dem Schwungrad /niit:liihr' werden soll, wobei ein verhältnismäßig geringer Wirkungsgrad beibehalten werden kann. Bei der Abgabe der Energie vom Schwungrad an die Räder des Fahrzeugs tritt wieder derselbe Wirkungsgrad auf, so daß sich der an sich bereits nicht sonderlich günstige Wirkungsgrad noch quadriert und somit zu einem schlechten Gesamtwirkungsgrad führt

Der bisherige Schwungmassenspeicher mußte somit über zwei, jeweils als Generator und als Motor verwendbare Einrichtungen verfügen, über die die

to gesamte Bremsenergie geführt werden mußte. Da derartige Einrichtungen verhältnismäßig aufwendig sind, war man bisher gezwungen, diese Einrichtungen und somit auch die Aufnahmefähigkeit des Schwungmassenspeichers zu limitieren, was dazu geführt hat, daß oei einer Bremsung, die unter Freiwerden einer verhältnismäßig hohen Bremsleistung stattgefunden hat, nur ein verhältnismäßig geringer Anteil dieser Bremsleistung tatsächlich dem Schwungmassenspeicher zugeführt werden konnte. Unter Zugrundelegung des verhältnismäßig schlechten Gesamtwirkungsgrades einer derartigen Anlage hat sich das Verwenden eines derartigen Schwungmassenspeichers im wesentlichen als unwirtschaftlich herausgestellt.

Es ist ferner aus der DE-PS 8 91 503 bekannt, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art die Energieeinspeicherung und -ausspeicheaing außer über das genannte Getriebe auch über einen hydraulischen Wandler und ein Wechselgetriebe vorzunehmen, wobei der Schwungmassenspeicher mit dem genannten Getriebe nur über dessen einen ersten Ausgang in Verbindung steht. Aufgrund einer einzigen Verbindung zwischen dem genannten Getriebe und dem Schwungmassenspeicher wird für diesen Abschnitt des Energieflusses ein guter Wirkungsgrad erzielt. Der Gesamtwirkungsgrad fällt jedoch wesentlich schlechter aus, da der hydraulische Wandler und das Wechselgetriebe noch berücksichtigt werden müssen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Speichervorrichtung der eingangs genannten Art mit geringem Aufwand so zu gestalten, daß ein besserer Gesamtwirkungsgrad beim Ein- und Ausspeichern von Bremsenergie erzielt werden kann als es mit den bekannten Speichervorrichtungen möglich ist, bei denen entweder eine Umwandlung in elektrische Energie vor dem Einspeichern bzw. nach dem Ausspeichern vorgenommen werden muß, oder bei denen der Energiefluß zum und vom Speicher direkt erfolgt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das zwei Freiheitsgrade aufweisende Getriebe mit seinem ersten Ausgang mit einer wahlweise als Generator oder Motor betreibbaren Einrichtung und mit seinem zweiten Ausgang mit einer zweiten, ebenfalls wahlweise als Generator oder Motor betreibbaren Einrichtung verbunden ist und daß die beiden Einrichtungen miteinander über eine Puffereinrichtung zur Energieübertragung beim Einspeichervorgang bzw. Ausspeichervorgang in Verbindung stehen.

Als Getriebe mit zwei Freiheitsgraden kann beispielsweise ein Differential- oder Planetengetriebe verwen-

M) det werden. Die von der Welle abgegebene Bremsleistung wird hierbei vom Differentialgetriebe verzweigt. Ein Teil fließt direkt mit gutem mechanischen Wirkungsgrad in das Schwungrad. Der Rest fließt in den anderen Ausgang und treibt hier den als Generator

<>5 geschalteten Antrieb an. Die vom Generator erzeugte Energie wird dem als Motor geschalteten Antrieb auf der Welle des Schwungrades übermittelt. Das Schwungrad wird also zusätzlich durch diese Motorleistung

beschleunigt Der als Generator geschaltete Antrieb bestimmt mit seinem Bremsmoment die von der Welle abgegebene G*:samtbremsleistung, Im Differentialgetriebe herrscht an den beiden Ausgängen Momentengleichgewicht Bis auf Verluste wird den beiden Ausgängen eine Teilleistung zugeführt, die den jeweiligen Ausgangswellendrehzahlen proportional isL Falls am Beginn des Bremsvorganges beide Ausgangswellen gleich schnell laufen, nimmt zunächst jede die Hälfte der Bremsleistung auf. Die Drehzahl des generatorseitigen Ausganges sinkt ab, während die Drehzahl des Schwungrades zunimmt. Der direkt mechanisch übertragene Anteil nimmt zu, während der indirekt über die beiden Antriebe übertragene Anteil abnimmi. Insbesondere unter Zuhilfenahme eines Schaltgetriebes in der abzubremsenden Welle kann man erreichen, daß während des gesamten Bremsvorganges der weitaus größere Teil der Bremsenergie mechanisch an das Schwungrad übertragen wird, während der Rest in gewohnter Weise mit einem durch die beiden Antriebe bedingten schlechteren Wirkungsgrad dem Schwungrad zugeführt wird. Dadurch lassen sich außergewöhnlich gute Gesamtwirkungsgrade erreichen. Von erheblichem Vorteil ist ferner, daß die beiden Antriebe nur einen Teil der Bremsleistung übertragen, also kleiner dimensioniert werden können, als im herkömmlichen Fall.

Als Generator bzw. als Motor kann grundsätzlich jede für einen derartigen Zweck übliche Einrichtung verwendet werden. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist von besonderem Vorteil, daß jede der Einrichtungen eine mit einem Strömungsmittel betriebene Maschine ist, die von Motorbetrieb auf Pumpbetrieb und umgekehrt umstellbar ist, wobei Pumpbetrieb Generatorbetrieb gleichzusetzen ist. Hierbei wird zweckmäßigerweise ein Pufferbehälter verwendet, in J5 dem Strömungsmittel mit einem hohen Energieniveau eingespeichert wird, das sich dann bei Bedarf über die entsprechende Einrichtung entspannt und in entspanntem Zustand gegebenenfalls in einem Auffangbehälter bereitgehalten wird. Derartige von Motorbetrieb auf Pumpbetrieb umstellbare Maschinen sind weit verbreitet; hierdurch liegt einer der besonderen Vorteile der Erfindung darin, daß es nicht notwendig ist, für diese Teile der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung jeweils Neukonstruktionen vorzusehen, die ihrerseits noch erprobt werden müßten, sondern es kann auf bewährte Geräte zurückgegriffen werden.

Es ist möglich, als Strömungsmittel ein inkompressibles Strömungsmittel zu wählen, das den Vorteil hat, daß in diesem Fall eine direkte Abhängigkeit zwischen Maschinendrehzahl und beförderter Strömungsmittelmenge besteht. Soweit die erfindungsgemäße Einrichtung im Zusammenhang mit hydraulischen Systemen verwendet wird, kann sich in diesem Fall es als Vorzug erweisen, daß der Pufferbehälter der Druckvorratsbe- ^r>5 halter für die Gesamtanlage ist, bzw. daß anstelle des Sammelbehälters eine der Sammelleitungen des gesamten Systems dient.

Es ist im Rahmen einer weiteren Ausbildung der Erfindung aber insbesondere von Vorteil, daß jede der bo Einrichtungen eine pneumatische Maschine ist, die von Motorbetrieb auf Pumpbetrieb und umgekehrt umstellbar ist, wobei Pumpbetrieb Generatorbetrieb gleichzusetzen ist. Durch das Verwenden eines kompressiblen Strömungsmittel;; wird hierbei die Ausbildung des h^r> Pufferbehälters wesentlich vereinfacht; bei Verwenden von Luft kann darüber ! maus noch auf die Auffangbehälter verzichtet werden, da — gegebenenfalls über eine entsprechende Reinigungsvorrichtung — jeweils Außenluft bei Pumpbetrieb in den Pufferbehälter gefördert werden kann, bzw. bei Motorbetrieb entspannte Luft ins Freie austreten kann. Der Pufferbehälter kann gegebenenfalls durch eine entsprechende Regeleinrichtung ersetzt werden.

Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung überall dort anwendbar, wo in kurzer Folge Bremsenergie anfällt und Antriebsenergie aufgebracht werden muß; ein solcher Anwendungsfall liegt beispielsweise beim Kranbetrieb. Soweit die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Antriebseinrichtung verbunden ist, die aus einer Wärmekraftmaschine besteht, ist es aber im Rahmen einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung insbesondere von Vorteil, daß die Wärmeabgabeseite einer Wärmekraftmaschine mit dem Pufferbehälter in wärmetauschender Beziehung steht. Hierdurch wird die Auspuffwärme, die von einer antreibenden Wärmekraftmaschine, wie beispielsweise einem Motor, nutzlos an die Umgebung abge^.ben wird, dazu verwendet, um innerhalb des Pufferoe'^äiters an das eingespeicherte kompressible Strömungsmittel bzw. an die eingespeicherte Luft ihre Wärme abzugeben, wodurch sich das Druckniveau und somit der Energieinhalt ini'°rhalb des Pufferbehälters erhöht. Somii ist es möglich, unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, den in einer Verbrennungskraftmaschine bzw. einem Motor nicht nutzbaren Restenercieamei! weiter zu nutzen.

Ein ganz besonders zweckmäßiges Anwendin'sz^e biet für eine erfindungsgemäße Speichen omchiur.:; \>\ aber ihre Verwendung in einem Stadiliniein';",mbu> Hei einem Stadtlinienomnibus, der iii \erh.iiniiMiui3ii: festliegender Folge bei den Haltestellen bi> .um Stillstand abbremst und wieder bis /ur wlien Γ .ihn beschleunigt, führt jeder Bremsleistunszsnvksn-w mn /11 einer Einsparung des /11111 Anincb \er\\ endeten Mineralöls sowie somit /um Verringern der .nsbe andere in Ballungsgebieten schädlichen l'missionswerte des herkömmlichen Aniriebs. Darüber hinaus sieht der Sch^ungmassenspeicher für einen Stadtlinieiu-iiiinibiis eine zusätzliche Leistungsreserve vor. so daß beispielsweise der vollbesetzte Omnibus fast genauso schnell beschleunigen kann, wie es der leere Omnibus kann. In diesem Anwendungsfall kann der Sehwungniassenspeicher verhältnismäßig klein ausgelegt werden, d. h. er umfaßt im wesentlichen nicht mehr als die bei einer oder bei einigen wenigen Abbremsungcn freiwerdende Energie; so ist es beispielsweise sinnvoll, eine Kapazität vorzusehen, die etwa die zweifache kinetische Energie des sich mit 60 km/h bewegenden Fahrzeugs in beUtdencm Zustand aufweist.

Ein Ausführungsbeispiel ist schematisch in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Ein Fahrzeug hat ein Umlaufgetriebe 2, das ein Getriebe mit 2 Freiheitsgraden, beispielsweise ein mechanisches Differentialgetriebe ist. Als Antriebe 3 und 4 können beispielsweise Hydraulikmaschinen vorgesehen werden, die im Vierquadranten-Betrieb betreibbar sind, d. h. bei positiver und negativer Drehzahl als Pumpen oder Motoren arbeiten können.

Es folgt eine Beschreibung verschiedener Fahrzustände des Fahrzeugs:

1. Stabiler Fahrzustand

Es wird hierbei in das Schwungrad weder Energie eingespeichert noch von ihm Energie enlnuiiimi-n Die

beiden Antriebe 3 und 4 verhalten sich derart, daß die Welle, die die beiden Differentialgetriebe 1 und 2 miteinander verbindet, frei und ungehindert drehen kann; der Antrieb 3 läuft mit der gleichen Drehzahl um wie das Schwungrad 5. Während die Drehzahl der Welle zwischen den beiden Differentialgetrieben 1 und 2 vorgegeben ist, läuft der Antrieb 4 in Leerlast mit einer hierzu komplementären Geschwindigkeit um. Mit Ausnahme der mechanischen Verluste wird von der erfindungsgemäßen Einheit dem Fahrzeug keine Energie entnommen.

2. Bremsvorgang

Setzt der Bremsvorgang ein, dann wird der Antrieb 4 abgebremst — er arbeitet als Pumpe — und formt hierbei mechanische Energie in hydraulische bzw. pneumatische Energie um. Während der Antrieb 4 abgebremst wird, erhöht sich analog zur Geometrie des Differentialgetriebes 2 die Drehzahl des Antriebs 3 und somit auch die Drehzahl des Schwungrades 5. Hierbei wird die im Antrieb 4 erzeugte Energie gleichzeitig mit der mechanischen Energie über den Pufferbehälter 6 und den Antrieb 3 dem Schwungrad 5 zugeführt. Somit wird ein Teil der verbrauchten Bremsenergie direkt mechanisch dem Schwungrad zugeführt, während der andere Teil dem Schwungrad 5 über die Antriebe 3 und 4 zugeführt wird.

Der Hydraulikantrieb 4 lädt zunächst den Pufferbehälter 6 in der Übertragungsleitung auf einen von einem Regelungssystem 7 vorgegebenen Druck auf. Sobald dieser erreicht ist, setzt das Regelsystetn 7 den als Motor geschalteten Antrieb 3 ein. Er wird so geregelt, daß im Puffer 6 stets der gewünschte Druck oder eine vorgegebene Toleranzbreite des Druckes herrscht.

Mit langsamer werdender Fahrzeuggeschwindigkeit sinkt die Drehzahl des Antriebs 4 auf Null. Das Regelsystem 7 regelt über den Druck im Puffersystem dabei auch den Antrieb 3 auf Nulleistung herunter. Der Nulldurchgang des Antriebs 4 muß im Regelsystem 7 ein Signal zur Umschaltung der Antriebseinheit 3 von Motor- auf Generator-(Pumpen-)Betrieb geben. Die Pumpenleistung von 3 wird wieder über den Pufferdruck geregelt. Im negativen Drehzahlbereich des Antriebes 4 arbeitet dieser nun als Motor.

Alternativ zu diesem Regelvorgang ist es auch möglich, nur mit dem Pufferdruck zu regeln. Dabei wird beim Bremsen die bei positiver Drehzahl laufende Einheit 4 als Pumpe geschaltet. Diese Einheit läuft dann bei negativer Drehzahl automatisch als Motor. Der maximal im Puffer 6 zugelassene Druck wird von der Regelung vorgegeben. Bei starker Verzögerung wird ein hoher Pufferdruck, bei schwacher Verzögerung ein kleiner Pufferdruck vorgegeben. Die Einheit 3 läuft nur mit positiver Drehzahl. Sie wird vom Regelungssystem als Motor geschaltet, sobald der maximal im Puffer zugelassene Druck überschritten wird. Sie wird umgekehrt als Generator oder Pumpe geschaltet, solange im Puffer ein vorgegebener Minimaldruck unterschritten wird. Zwischen diesen Drücken wird die Einheit 3 auf Leerlast geschaltet

3. Beschleunigen

Wird vom Fahrzeug Energie zum Beschleunigen benötigt, dann gibt das Schwungrad 5 mechanische Leistung an das Umlaufgetriebe 2 ab. Gleichzeitig wird mechanische Leistung des Schwungrades 5 im Antrieb 4 in hydraulisch/pneumatische Energie umgewandelt, die dem Pufferbehälter 6 zugeführt wird Der Antrieb 4, der bisher (im Fahrzeugstillstand) mit negativer Drehzahl umläuft, gibt, trotz seiner negativen Drehzahl, ein positives Drehmoment an das Umlaufgetriebe 2 ab, wodurch das Umlaufgetriebe 2 über die Welle an das ■i Differentialgetriebe des Fahrzeugs sowohl direkte mechanische Energie aus dem Schwungrad als auch vom Schwungrad 5 ausgehende, hydraulische übertragende Energie abgibt.
Sobald beim Beschleunigungsvorgang die Antriebs-

H) einheit 4 durch die Drehzahl Null geht, schaltet das Regelsystem 7 den Antrieb 3 auf Pumpbetrieb mit einer Leistung, die durch den Pufferdruck geregelt wird. Der Antrieb 4 arbeitet bei positiver Drehzahl als Motor.

Es wird beim Abbremsen des Fahrzeuges bewirkt, daß bei abnehmender Drehzahl der Welle, die die beiden Getriebe 1 und 2 miteinander verbindet, gleichzeitig die Drehzahl des Antriebs 4 absinkt und die Drehzahl des Antriebes 3 ansteigt, und beim Beschleunigen des Fahrzeuges die Drehzahl des Antriebs 4 von negativen Werten auf positive steigt und zugleich die Drehzahl des Schwungmassenspeichers 5 und des Antriebs 3 absinkt. Hierbei können die beiden Getriebe 1 und 2 über ein Schaltgetriebe 8 verbunden werden.

In der Zeichnung ist der Antriebsmotor des Fahrzeugs nicht dargestellt. Es kann vorgesehen werden, daß beispielsweise bei Standzeiten der gegebenenfalls leere Schwungmassenspeicher 5 durch den Fahrzeugmotor wieder aufgeladen wird.
Die Verbindung zwischen den beiden Antriebseinrichtungen 3 und 4 und der Regeleinrichtung 7 wird über Signalleitungen 9 vorgenommen; diese Signalleitungen können gegebenenfalls hydraulische oder pneumatische Signalldtungen sein. Ferner ist der Pufferbehälter 6 mit der Regeleinrichtung 7 durch eine weitere Signalleitung 9 verbunden, die der Regeleinrichtung 7 den Druck innerhalb des Pufferbehälters 6 mitteilt.

Werden hydraulische Maschinen 3 und 4 verwendet, so ist ein Auffangbehälter 10 jeder Maschine zugeordnet; diese beiden Auffangbehälter können miteinander in Verbindung stehen.

Wird ein pneumatisches System verwendet, dann kann der Pufferbehälter 6 mit einer Wärmetauscheinrichtung 11 versehen sein, die mit dem Antriebsmotor des Fahrzeugs in Verbindung steht. Als Wärmetauscheinrichtung kann beispielsweise eine Rohrleitung dienen, durch die Auspuffgase durchgeleitet werden. Gegebenenfalls kann noch eine Steuerungsvorrichtung vorgesehen werden, die die Wärmetauscheinrichtung überbrückt bzw. abstellt, um beispielsweise bei vollem Druckbehälter, bei vollem Pufferbehälter 6. bei mit Nenndrehzahl umlaufendem Schwungrad 5 und bei stehendem Fahrzeug verhindert, daß dem Pufferbehälter 6 zusätzliche Wärme zugeführt wird. Ferner kann der Pufferbehälter 6 mit einem Sicherheitsventil, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ausgestattet sein, das durch den Innendruck im Pufferbehälter 6 und/oder durch die Regeleinrichtung 7 angesteuert wird. Ferner kann dieses Ventil noch willkürlich angesteuert werden, beispielsweise um bei Reparaturen am System den etwa noch gefüllten Pufferbehälter 6 zu entladen.

Das Getriebe 2 mit zwei Freiheitsgraden kann gegebenenfalls ein pneumatisches oder hydraulisches Getriebe sein, was bei Verwenden eines entsprechenden erfindungsgemäßen Systems von Vorteil sein kann.

Ebenso kann anstelle des Schaltgetriebes 8 beispielsweise ein hydraulisch oder pneumatisch wirkendes bzw. gesteuertes automatisches Getriebe vorgesehen werden. Es ist somit möglich, die erfindungsgemäße

Speichervorrichtung, sowie das Schaltgetriebe des Fahrzeugs entweder mit einer ohnehin notwendigen Fahrzeughydrjulik oder mit der ohnehin notwendigen pneumatischen Einrichtung des Fahrzeugs wie beispielsweise der pneumatischen Bremse zu einer Einheit zusammenzufassen, wodurch sich insbesondere Kostcnvr; eile ergeben, da die erfindungsgemäße Vorrichtung mit ihren leistungsfähigen Pumpen bzw. Motoren 3 und

4 bereits hinlänglich für das Bereitstellen der im gesamten Fahrzeug benötigten Menge von Druckmedium sorgen kann, zumal die Regeleinrichtung 7 bei wegen überhöhtem Druckmittelverbrauch im Pufferbehälter 6 'orliegenden Druckabfall diesen selbsttätig wieder so lange beaufschlagt, bis sein Nenndruck erreicht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 Patentansprüche;

1. Vorrichtung zum Einspeichern bzw. Ausspeichern von Bremsenergie in einer, bzw. aus einem Schwungmassenspeicher, der über ein Getriebe mit einer umlaufenden, abzubremsenden bzw. anzutreibenden Welle in Verbindung steht, wobei das Getriebe mit einem ersten Ausgang mit dem Schwungmassenspeicher verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zwei Freiheitsgrade aufweisende Getriebe (2) mit seinem ersten Ausgang mit einer wahlweise als Generator oder Motor betreibbaren Einrichtung (3) und mit seinem zweiten Ausgang mit einer zweiten, ebenfalls wahlweise als Generator oder Motor betreibbaren Einrichtung (4) verbunden ist und daß die beiden Einrichtungen (3,4) miteinander über eine Puffereinrichtung (6) zur Energieübertragung beim Einspeichervorgang bzw. Ausspeichervorgang in Verbindung stehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Einrichtungen (3,4) eine mit einem Strömungsmittel betriebene Maschine ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Einrichtungen (3, 4) eine pneumatische Maschine ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Einrichtungen (3, 4) eine hydraulische Maschine ist

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabgabeseite einer V* ärmekraftmaschine mit dem Pufferbehälter (6) in wärmetauschend, . Beziehung (11) steht.

6. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet dur h ihre Verwendung in einem Stadtlinienomnibus.