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Hintergrund der Erfindung
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(i) Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft hydraulische Energiespeichersysteme und spezieller
hydraulische Energiespeichersysteme, die in Fahrzeugen verwendet werden,
um eine höhere
Wirksamkeit, einen kleineren Platzverbrauch, ein geringeres Gewicht,
einen einheitlichen Aufbau, Beständigkeit
und eine erhöhte Verläßlichkeit
bereitzustellen, während
die Fähigkeit aufrechterhalten
wird, Energie wirksam bei hohen Leistungsniveaus zu speichern und
wieder abzugeben.
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(ii) Beschreibung der
verwandten Technik
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Mit
hydraulischen Energiespeichersystemen ausgerüstete Fahrzeuge haben die Fähigkeit,
beim Bremsen kinetische Energie zu speichern, anstelle sie mittels
der Bremsen zu dissipieren, und diese dann für eine nachfolgende Beschleunigung
wieder einzusetzen. Derartige Fahrzeuge werden üblicherweise als „Hydraulikhybrid" bezeichnet, wenn
der Hauptbeweger des Fahrzeugs ebenfalls zu der Energiespeicherung
beiträgt,
oder als „Stored
Hydraulic Energy Propulsion" (SHEP),
wenn nur die Fahrzeugsenergie gespeichert wird. Diese Anmeldung bezieht
sich auf SHEP-Speicherung, aber die hierin offenbarten Erfindungen
können
gleichermaßen
für Hydraulikhybridfahrzeuge
anwendbar sein.
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Die
Verbesserungen der vorliegenden Erfindung sind auf hydro-pneumatische
Speicher anwendbar, die üblicherweise
zur Energiespeicherung in SHEP-Fahrzeugen verwendet werden, auf
Hydraulikhybride und den zugehörigen
Hydraulikkreislauf. In Übereinstimmung
mit der industriellen Praxis bezieht sich der Ausdruck „Fluid", wie in dieser Anwendung
verwendet, auf ein Hydraulikfluid, typischerweise eine Flüssigkeit
wie ein speziell angesetztes Mineralöl. Der Ausdruck „Gas" bezieht sich auf
das Gas, das zur Vorladung eines hydropneumatischen Speichers verwendet
wird, und typischerweise trockener Stickstoff ist.
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Die
Leistungsfähigkeit
und die Kraftstoffeinsparung eines Fahrzeugs, insbesondere wenn
es häufigen
Stops und Starts ausgesetzt ist, kann verbessert werden, indem die
kinetische Energie des Fahrzeugs während des Bremsens wieder erlangt und
gespeichert wird und dann während
einer nachfolgenden Beschleunigung abzüglich auftretender Verluste
wieder eingesetzt wird. SHEP-Systeme weisen eine hydraulische Pumpen-/Motoreinrichtung (P/M)
auf, die mit einem Antriebszug des Fahrzeugs verbunden sein kann,
so daß das
Fahrzeug gebremst werden kann, indem ein Hochdruckhydraulikfluid
in einen hydro-pneumatischen Speicher gepumpt wird und dadurch die
kinetische Energie des Fahrzeugs zurückgewonnen wird. Eine nachfolgende
Beschleunigung kann wenigstens zum Teil durch Verwendung der gespeicherten
kinetischen Energie erreicht werden, um die P/M Einrichtung als
ein Motor anzutreiben. Hydraulische Hybridsysteme weisen diese gleiche
Fähigkeit
auf, mit dem Zusatz einer von dem Fahrzeugmotor angetriebenen Hydraulikpumpe. Dies
stellt auf Kosten einer erhöhten
Komplexität
ein flexibleres System dar. Wichtigerweise sorgt es für noch weitere
Verbesserungen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs durch einen
optimierten Motorgebrauch.
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Hydraulische
Hybrid- und SHEP-Fahrzeuge sind Gegenstand vieler Patente und technischer Schriften.
US Patent Nr. 3,903,696 zeigt ein grundlegendes SHEP-System, wobei
US Patent Nr. 4,760,697 eine komplexere Version zeigt, und US Patent
Nr. 4,242,922 die Grundlagen eines Hydraulikhybrids beschreibt.
US 2 721 446 offenbart ein System,
welches einen kompensierten Speicher mit Hoch- und Niederdruckkammern
mit in einem Hydrauliksystem mit Pumpe verbundenen Kolben verwendet.
DE-A-42 12 542 offenbart ein System mit den Merkmalen des Oberbegriffs
von Anspruch 1.
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Veröffentlichte
technische Schriften, die die Verwendung von SHEP und Hybridsystemen
in Automobilen, Bussen, Müllabfuhr-Lastwagen,
Zügen oder anderen
Fahrzeugen abdecken sind typischerweise durch die folgenden Schriften
gegeben: Mechanical power regeneration system; „Simulation of a Hydraulic
Hybrid Vehicle Power Train",
ASME-Paper n 73-ICT-50, Sep 23 1973; „Practical Considerations for
Energy-Storage Motor Vehicles",
veröffentlicht von
ASME, New York, N.Y., U.S.A. 1981; und „Studies of an Accumulator
Energy-Storage Automobile Design with a Single Pump/Motor Unit", SAE Paper 851677
1985.
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Kurzbeschreibung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein hydraulisches Energiespeichersystem zur Verwendung
in einem Fahrzeug bereitgestellt, aufweisend einen Hochdruckspeicher,
einen ersten Niederdruckspeicher und parallel einen zweiten Niederdruckspeicher
und eine Pumpen/Motoreinrichtung, die in Fluidverbindung mit dem
Hochdruckspeicher und mit dem ersten und zweiten Niederdruckspeicher
steht, um ein Fluid von dem ersten und zweiten Niederdruckspeicher
zu dem Hochdruckspeicher zu pumpen, wenn die Pumpen/Motoreinrichtung
in einem Pumpmodus betrieben wird, und um Fluid zu dem ersten und
zweiten Niederdruckspeicher zurückzubringen, wenn
die Pumpen/Motoreinrichtung in einem Motormodus ist, wobei die Pumpen/Motoreinrichtung
ein Gehäuse
aufweist, um durch diese Fluid zu zirkulieren,
dadurch gekennzeichnet,
dass das System weiter in Reihe zwischen der Pumpen/Motoreinrichtung
und dem zweiten Niederdruckspeicher ein erstes Rückschlagventil aufweist, um,
wenn die Pumpen/Motoreinrichtung in dem Motormodus ist, einen Fluidanteil in
eine Richtung von der Pumpen/Motoreinrichtung zu dem zweiten Niederdruckspeicher
fließen
zu lassen, in Reihe zwischen dem Gehäuse der Pumpen/Motoreinrichtung,
dem zweiten Niederdruckspeicher und der Pumpen/Motoreinrichtung
einen Kühler in
Flußverbindung
aufweist, und in Reihe zwischen dem zweiten Niederdruckspeicher
und dem Pumpen/Motoreinrichtungsgehäuse ein zweites Rückschlagventil
aufweist, um, wenn die Pumpen/Motoreinrichtung in dem Pumpmodus
ist, Fluid in eine Richtung von dem zweiten Niederdruckspeicher durch
das Pumpen/Motoreinrichtungsgehäuse
und den Kühler
zu der Pumpen/Motoreinrichtung fließen zu lassen, um diesen Anteil
des Fluids zu kühlen.
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Vorteilhaft
weist das System weiter in Reihe zwischen der Pumpen/Motoreinrichtung,
dem Pumpengehäuse
und dem Kühler
ein drittes Rückschlagventil
auf, um, wenn die Pumpen/Motoreinrichtung in dem Motormodus ist,
einen Fluidanteil in eine Richtung von der Pumpen/Motoreinrichtung
durch das Pumpengehäuse
und den Kühler
fließen
zu lassen, wobei das erste Rückschlagventil
mit dem Kühler
in Reihe ist, um einen Fluidanteil in eine Richtung von dem Kühler zu
dem zweiten Niederdruckspeicher fließen zu lassen, um diesen Fluidanteil
zu kühlen, wobei
das System weiter in Reihe mit dem Kühler ein viertes Rückschlagventil
aufweist, um, wenn die Pumpen/Motoreinrichtung in dem Pumpmodus
ist, einen Fluidanteil in eine Richtung von dem zweiten Niederdruckspeicher
zu dem Pumpen/Motoreinrichtungsgehäuse und durch den Kühler zu
der Pumpen/Motoreinrichtung fließen zu lassen, um diesen Fluidanteil
zu kühlen.
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Das
System kann einen den Hochdruckspeicher und ersten Niederdruckspeicher
enthaltenden kompensierten Speicher aufweisen, wobei der kompensierte
Speicher ein zylindrisches Gehäuse
mit einer longitudinalen Achse und mit einer Hochdruckkammer und
einer Niederdruckkammer, die konzentrisch mit der longitudinalen
Achse gelegen sind, einen transversal in der Hochdruckkammer angebrachten
Hochdruckkolben für
einen wechselseitigen axialen Hub in der Hochdruckkammer und einen transversal
in der Niederdruckkammer angebrachten Niederdruckkolben für wechselseitigen
axialen Hub in der Niederdruckkammer und wenigstens eine Verbindungsstange
aufweist, um den Hochdruckkolben und den Niederdruckkolben miteinander
zu verbinden. Der kompensierte Speicher kann wenigstens drei gleich
beabstandete Stangen aufweisen, die den Hochdruckkolben mit dem
Niederdruckkolben verbinden, um die Kolben während des wechselseitigen Hubs
senkrecht zu der longitudinalen Achse des zylindrischen Gehäuses zu
halten. Die Niederdruckkammer kann ein von der Hochdruckkammer entferntes
Gasende und ein nahe der Hochdruckkammer liegendes Fluidende aufweisen,
wobei ein erster Lagesensor in der Niederdruckkammer nahe dem Niederdruckende
angebracht ist, und ein zweiter Lagesensor in der Niederdruckkammer
nahe dem Hochdruckende angebracht ist, wodurch der erste und zweite
Lagesensor den wechselseitigen Hub des Niederdruckkolbens in der
Niederdruckkammer überwachen.
Das System kann zusätzlich
einen Drucksensor in Fluidverbindung mit der Hochdruckkammer aufweisen,
wobei der zweite Lagesensor oder der Drucksensor den wechselseitigen
Hub der Hochdruck- und Niederdruckkolben überwacht und ein Heizsystem
betätigt.
Das Gasende kann eine Endwand aufweisen, und der erste Lagesensor
in der Endwand angebracht sein. Der erste Lagesensor kann in der
Endwand auf Höhe
der longitudinalen Achse angebracht sein und einen Überschallwandler aufweisen.
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Vorteilhaft
weist der kompensierte Speicher einen Ventilblock an einem Ende
des Zylindergehäuses,
eine das Hochdruckfluidende mit dem Ventilblock verbindende Hochdruckleitung
und eine das Niederdruckfluidende mit dem Ventilblock verbindende
Niederdruckleitung auf. Die Hochdruck- und Niederdruckleitungen
können
außerhalb
des zylindrischen Gehäuses
verlaufen. Alternativ können
die Hochdruck- und Niederdruckleitungen innerhalb des zylindrischen
Gehäuses
parallel zu der longitudinalen Achse angeordnet sein und durch den
Niederdruckkolben verlaufen, wobei zusätzlich eine in dem Niederdruckkolben
gebildete Abdichteinrichtung vorgesehen ist, um gleitend an Hochdruck- und Niederdruckleitungen
zu koppeln und diese abzudichten.
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Eine
Kammer von Hochdruckkammer und Niederdruckkammer kann einen größeren Durchmesser
als die andere aufweisen, wobei ein Kolben von Hochdruckkolben und
Niederdruckkolben einen größeren Durchmesser
als der andere aufweist, um ein Flußungleichgewicht zwischen dem
Hochdruckzylinder und dem Niederdruckzylinder zu bewirken, wobei
die Pumpen-Motoreinrichtung in Fluidverbindung mit der Hochdruckkammer
und mit der Niederdruckkammer ist, um ein Fluid von der Niederdruckkammer
zu der Hochdruckkammer zu pumpen, wenn die Pumpen-Motoreinrichtung
in einem Pumpmodus betrieben wird, und um Fluid zu der Niederdruckkammer
zurückzubringen,
wenn die Pumpen/Motoreinrichtung in einem Motormodus betrieben wird,
wobei ein Niederdruckspeicher parallel mit der Niederdruckkammer
angeordnet ist, um während
des Pumpmodus bzw. des Motormodus aufgrund des Flußungleichgewichts
zwischen dem Hochdruckzylinder und dem Niederdruckzylinder einen
Fuidanteil von der Hochdruck- oder Niederdruckkammer zu erhalten
und abzugeben. Der Hochdruckkolben kann größer als der Niederdruckkolben
sein, wodurch der Ausschluß von
der Hochdruckkammer größer ist
als der Einfluß in
die Niederdruckkammer ist, um einen hohen Fluiddruck aufrechtzuerhalten
und um ein positives Fluß-Ungleichgewicht
vom Hochdruckzylinder zu dem Niederdruckzylinder zu erzeugen. Der
Niederdruckspeicher kann eine ringförmige Kammer sein, die konzentrisch
innerhalb der Niederdruckkammer gebildet ist, und einen ringförmigen Speicherkolben
aufweist, der für
wechselseitigen Hub in der ringförmigen
Speicherkammer angebracht ist. Der ringförmige Speicherkolben kann ein
länglicher ringförmiger Reif
sein.
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Das
System kann einen Niederdruckkammer-Speicherzylinder, der zentral
in der Niederdruckkammer konzentrisch mit und innerhalb des Niederdruckringkolbens
gebildet ist, und eine zwischen dem Niederdruckspeicherzylinder
und dem Ringkolben gebildete Abdichteinrichtung aufweisen, wodurch
der Ringkolben in Gleitkopplung mit dem Niederdruckspeicherkolben
ist, wobei die Pumpen/Motoreinrichtung in Fluidverbindung mit der
Hochdruckkammer und mit der Niederdruckkammer und dem Niederdruckspeicher
ist, um ein Fluid von der Niederdruckkammer und von dem Niederdruckspeicher
zu der Hochdruckkammer zu pumpen, wenn die Pumpen/Motoreinrichtung
in einem Pumpmodus ist, und um Fluid von der Hochdruckkammer zu
der Niederdruckkammer und zu dem Niederdruckspeicher zurückzubringen,
wenn die Pumpen/Motoreinrichtung in einem Motormodus ist, wobei
der Kühler
in Fluidverbindung mit dem Niederdruckspeicher ist, wodurch das
zu dem Niederdruckspeicher hin und von ihm weg fließende Fluid
durch den Kühler
fließt, wenn
die Pumpen/Motoreinrichtung in dem Pump- bzw. Motormodus ist. Der
Niederdruckspeicherzylinder kann eine in seinem oberen Bereich gebildete
Zugangsöffnung
aufweisen, um Luft in die Atmosphäre auszulassen. Die Hochdruckkammer
kann einen Stahleinsatz für
den wechselseitigen axialen Hub des darin enthaltenen Hochdruckkolbens
aufweisen, wobei der Stahleinsatz eine Ringkammer zwischen dem Stahleinsatz
und dem Zylinder von im wesentlichen der Länge des Kolbenhubs definiert,
und eine Fluidleitungseinrichtung aufweist, welche die Ringkammer mit
dem Fluid in der Hochdruckkammer verbindet, um den hydraulischen
Druck auf beiden Seiten des Einsatzes auszugleichen. Der Einsatz
kann sich im wesentlichen über
die Länge
der Hochdruckkammer erstrecken.
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Das
System kann aufweisen: Eine atmosphärische Kammer an dem entfernten
Ende der Niederdruckkammer, in der sich der Niederdruckkolben hin-
und herbewegt, wobei der Kolben einen sich davon erstreckenden axialen
Stempel aufweist, ein Auffangreservoir, um von einem Kolben/Motor
entzogenes Fluid zu erhalten, einen in einer Endwand der Niederdruckkammer
gebildeten zylindrischen Stollen, um in abgedichteter Weise den
Kolbenstempel aufzunehmen und um Fluid aus dem Auffangreservoir
aufzunehmen um es in die atmosphärische
Kammer zu entziehen, und einen Fluidausgang am Boden der atmosphärischen
Kammer, der durch ein Rückschlagventil
mit einem Niederdruckspeicher oder einer Niederdruckkammer in Verbindung
steht, wodurch ein Einführen
des Kolbenstempels die atmosphärische
Kammer gegenüber
der Atmosphäre
abschließt
und eine Kompression von Luft in der atmosphärischen Kammer das Rückschlagventil öffnet, um Fluid
vom Boden der atmosphärischen
Kammer zu dem Niederdruckspeicher oder der Niederdruckkammer zu
pumpen.
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Das
System kann aufweisen: Eine atmosphärische Kammer an dem entfernten
Ende der Niederdruckkammer, in der sich der Niederdruckkolben hin-
und herbewegt, ein Auffangreservoir, um von einem Kolben/Motor entzogenes
Fluid aufzunehmen, eine in einer Endwand der Niederdruckkammer gebildete Öffnung,
um Fluid aus dem Auffangreservoir zu erhalten und in die atmosphärische Kammer
zu entziehen, eine in dem Kolben gebildeten Stempeleinrichtung zum
Verschließen
dieser Endwandöffnung, und
einen Fluidausgang am Boden der atmosphärischen Kammer, die durch ein
Rückschlagventil
mit einem Niederdruckspeicher oder -kammer in Verbindung steht,
wodurch eine Hin- und Herbewegung der Kolben- und Stempeleinrichtung
die atmosphärische Kammer
gegenüber
der Atmosphäre
verschließt
und eine Kompression von Luft in der atmosphärischen Kammer das Rückschlagventil öffnet, um
Fluid vom Boden der atmosphärischen
Kammer zu dem Niederdruckspeicher oder der Niederdruckkammer zu pumpen.
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Das
System kann aufweisen: Eine atmosphärische Kammer an dem entfernten
Ende der Niederdruckkammer, in der eine Federrückstell-Plungerpumpe nahe der
Spitze des Niederdruckkolbens angebracht ist, und sich in die Niederdruckkammer
erstreckt um an eine Barrierenwand anzustoßen, welche die Niederdruckkammer
von der Hochdruckkammer trennt, einem an der Spitze des Niederdruckkolbens
gebildeten Einlaß von
der Niederdruckkammer zu der Plungerpumpe, einem normalerweise geschlossenen
Rückschlagventil
in dem Einlaß für einen
Fluß in
eine Richtung von der Niederdruckkammer in die Plungerpumpe, und
einen Ausgang von der Plungerpumpe zu der atmosphärischen
Kammer, und einem normalerweise geschlossenen Rückschlagventil in dem Auslaß für einen
Fluß in
eine Richtung von der Plungerpumpe zu der atmosphärischen
Kammer, wodurch ein Anschlagen der Plungerpumpe gegen die Barrierenwand
während
der wechselseitigen Bewegung des Niederdruckkolbens die an der Spitze
der Niederdruckkammer vorhandenen Luft in die atmosphärische Kammer
pumpt. Die Plungerpumpe kann in der Barrierenwand angebracht sein,
und eine in der Barrierenwand gebildete Leistungseinrichtung Luft
direkt in die Atmosphäre pumpen.
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Das
System kann aufweisen: Eine atmosphärische Kammer an dem entfernten
Ende der Niederdruckkammer, in welcher das zylindrische Gehäuse eine
Barrierenwand aufweist, die die Hochdruckkammer von der Niederdruckkammer
trennt, ein in einem in der Barrierenwand gebildeten Ventilsitz
sitzendes Tellerventil, welches unter Spannung ist, und normalerweise
einen Fluß von
der Hochdruckkammer zu der Niederdruckkammer zu unterbinden, wobei
das Tellerventil einen in die Niederdruckkammer vorragenden Schaft
aufweist, wodurch ein Schlagen des Niederdruckkolbens gegen den
Tellerschaft das Tellerventil öffnet,
um einen Fluß von
Hochdruckfluid von der Hochdruckkammer in die Niederdruckkammer
zu erlauben.
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Das
System kann aufweisen: Eine atmosphärische Kammer an dem entfernten
Ende der Niederdruckkammer, in welcher das zylindrische Gehäuse eine
Barrierenwand aufweist, welche die Hochdruckausgleichskammer von
der Niederdruckkammer trennt, ein an dem Hochdruckkolben angebrachtes
und in Richtung der Barrierenwand vorragendes Tellerdaumenventil,
einen in der Barrierenwand in Fluidverbindung mit der Niederdruckkammer
gebildeten Ventilsitz für
das Tellerdaumenventil zur Aufnahme des Tellerdaumenventils zu dessen
Schließung
vor einer vollständigen
Entladung des Hochdruckfluids aus der Hochdruckkammer, und einer
in der Barrierenwand gebildeten Servovorratsöffnung in Fluidverbindung mit
der Pumpen/Motoreinrichtung, wodurch ein nach Schließung des
Tellerdaumenventils in der Hochdruckkammer restliches Hochdruckfluid
zu der Motorpumpe gerichtet ist.
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Das
System kann ein vereinigtes Speichersystem aufweisen, bei dem das
zylindrische Gehäuse
mit einem Ventilblock und mit einer Überzentrums-Typ Pumpen/Motoreinrichtung
oder Nicht Überzentrums-Typ
Pumpen/Motoreinrichtung zu einer einzigen Struktur für das direkte
Anbringen an einem Fahrzeugsendantrieb eingearbeitet ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Ausführungsformen
der Erfindung werden jetzt mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, von denen:
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1 eine
schematische Darstellung eines SHEP-Systems bekannter Technik mit
einem atmosphärischen
Fluidreservoir ist;
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2 eine
schematische Darstellung eines vollständig abgedichteten SHEP-Systems
bekannter Technik ist;
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3 eine
schematische Darstellung der Verwendung von Rohrniederdruckspeichern
mit Kühlfluß in einfacher
Richtung ist;
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4 eine
schematische Darstellung des Gebrauchs von zwei Niederdruckspeichern
mit Kühlfluß in dualer
Richtung ist;
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5 eine
schematische Darstellung eines SHEP-Systems ist, die eine Längsschnittansicht
eines kompensierten Speichers zeigt;
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6 eine
Bruchteilquerschnittsansicht eines kompensierten Speichers mit mehrfachen
Verbindungsstangen ist;
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7 ist
eine Schnittansicht des in 6 gezeigten
kompensierten Speichers, und zwar entlang der Linie 7-7 genommen;
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8 ist
ein Längsschnittansichtsbruchteil eines
kompensierten Speichers mit Positionserfassung;
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9 ist
ein Längsschnittansichtsbruchteil eines
kompensierten Speichers mit einem Ventilblock;
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10 ist
eine Schnittansicht des in 9 gezeigten
kompensierten Speichers, und zwar entlang der Linie 10-10 genommen;
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11 ist
eine bruchteilhafte Längsschnittansicht
eines kompensierten Speichers mit internen Verbindungen;
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12 ist
eine Schnittansicht des in 11 gezeigten
kompensierten Speichers, und zwar entlang der Linie 12-12 genommen;
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13 ist
eine schematische Darstellung eines SHEP-Systems mit einer Längsschnittansicht
eines unbalancierten kompensierten Speichers;
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14 ist
eine schematische Darstellung des in 9 gezeigten
SHEP-Systems mit einer Längsschnittansicht
eines externen konzentrischen Niederdruckspeichers und eines ungespannten Hochdruckeinsatzes;
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15 ist
eine Längsschnittansicht
eines internen konzentrischen Niederdruckspeichers und eines ungespannten
Hochdruckeinsatzes;
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16 ist
eine bruchteilhafte Längsschnittansicht
einer Wiederaufladekompressionspumpe für ein abgedichtetes System;
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17 ist
eine bruchteilhafte Schnittansicht der in 16 gezeigten
Wiederaufladekompressionspumpe in einer geschlossenen Stellung;
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18 ist
eine schematische Darstellung eines atmosphärischen Reservoirsystems mit
einer bruchteilhaften Längsschnittansicht
einer Wiederaufladekompressionspumpe;
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19 ist
eine bruchteilhafte Längsschnittansicht
einer Kompressionspumpe in einem Niederdruckkolben;
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20 ist
eine Längsschnittansicht
eines Luftreinigungssystems;
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21 ist
eine Längsschnittansicht
einer Endschlagschutzvorrichtung;
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22 ist
eine vergrößerte Schnittansicht des
Spulenventils aus 21 in einer geschlossenen Stellung;
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23 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des
in 21 gezeigten Spulenventils in einer offenen Stellung;
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24 ist
eine bruchteilhafte Schnittansicht einer Hilfs-Hochdruckservozuführung;
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25 ist
eine vergrößerte Schnittansicht der
in 24 gezeigten Servozuführung in einer offenen Stellung;
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26 ist
eine vergrößerte Schnittansicht der
in 24 gezeigten Servozuführung in einer geschlossenen
Stellung;
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27 ist
eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht einer Einheitskonstruktion
mit Überzentrumspumpen/Motoreinrichtung;
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28 ist
eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht einer Einheitskonstruktion
mit Nicht-Überzentrumspumpen/Motoreinrichtung;
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29 ist
eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht einer Einheitskonstruktion
mit einer Überzentrumspumpen/Motorenrichtung
mit nicht flexiblen Leitungen bei einer zentralen Stellung;
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30 ist
eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht einer Einheitskonstruktion
mit Übertragungsgetriebebox;
und
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31 ist
eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht einer Einheitskonstruktion
mit umgekehrter Pumpen/Motoreinrichtung.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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1 zeigt
ein Grundlegendes SHEP-System, das beispielsweise aus einer P/M-Einheit besteht,
die mit dem Antriebszug eines Fahrzeugs in einer nicht gezeigten
Weise verbunden ist, so daß die P/M-Drehung
an die Fahrzeugbewegung gekoppelt ist. Energie wird in dem Hochdruck(HP)speicher 2 gespeichert,
der zur Langzeitenergiespeicherung durch ein Anlaßventil 3 abgeschottet
werden kann. Dieser Speicher hat typischerweise einen Vorladedruck
von etwa 150 bar und eine Maximaldruck von etwa 350 bar, könnte aber
andere Druckverhältnisse aufweisen.
Ein Druckgeber (pressure transducer) gibt den HP-Wert in das nicht gezeigte Steuersystem ein.
Da die P/M-Einheit typischerweise eine Hochgeschwindigkeitsaxialkolbeneinheit
ist, erfordert sie einen Ladedruck, typischerweise etwa 10 bar,
als Eingang, wenn gepumpt wird, wenn Hohlraumbildung bei höheren Geschwindigkeiten
vermieden werden soll. Dies wird durch einen Niederdruck(LP)speicher 5 bereitgestellt.
Der Transducer 6 gibt den Niederdruckwert in das Steuersystem
ein. Ein in den HP-Speicher 2 eindringendes Fluid wird das
Gas in der Kammer 2a kompressieren und so einen Druckanstieg
verursachen. Zur gleichen Zeit muß ein Fluid den LP-Speicher
verlassen, gedrängt durch
den LP-Gasdruck in der Gaskammer 5a, so daß der LP-Speicherdruck abfallen
muß. Die
Höhe des
Abfalls hängt
von den relativen Größen der
beiden Speicher ab. Normalerweise wird der LP-Speicher größer als
der HP-Speicher sein, so daß der LP-Speicherdruckbereich
kleiner als der auf der Seite des Hochdruckspeichers ist.
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Wenn
das Fahrzeug bremst, wird der HP-Speicherdruck ansteigen und der
LP-Speicherdruck
abfallen, und das umgekehrte, wenn das Fahrzeug beschleunigt. Das
bedeutet, daß normalerweise
der LP-Speicherdruck bei geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten und
P/M Drehgeschwindigkeiten am niedrigsten ist, und bei hohen Geschwindigkeiten
am höchsten.
Innerhalb sensibler Grenzen ist dies eine günstige Wirkung, da die P/M
einen höheren
Eingangsdruck bei höheren
Geschwindigkeiten braucht, um Hohlraumbildungen zu vermeiden, wenn
als Pumpe betrieben.
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Die
P/M Einheit leckt etwas Fluid in ihr Gehäuse, das zu dem Reservoir 7 weggezogen
wird, welches durch die Filterentlüftungsöffnung 8 zur Atmosphäre offen
ist. Dies ist für
viele Standard P/M Gestaltungen erforderlich, da diese nicht dazu
ausgelegt sind, irgendeinen signifikanten Druck in der typischen
Größenordnung
von 1 bar in deren Gehäuse zu
haben. Dieses Fluid wird durch die Ladungspumpe 9 dem System
zurückgebracht,
und durch den Filter 10 und den Kühler 11 der LP-Speicherseite
zurückgeliefert.
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Die
Ladungspumpe kann auf verschiedene Art und Weise betrieben werden.
Zum Beispiel kann ein Niveauschalter in dem Reservoir die Pumpe
einschalten, wenn das Reservoir voll wird. In diesem Fall hat die
Ladungspumpe eine zweifache Funktion, zum einen für genügenden Fluß durch
den Kühler
zu sorgen, um das System in annehmbaren Betriebstemperaturen zu
halten, wie auch den P/M Gehäuse Leckverlust
aufzufüllen.
Wenn der erforderliche Kühlfluß größer als
der Leckverlust ist, muß die
Pumpe angelassen werden und deren Ausgabe durch das Drucksteuerventil 12 zurück zirkuliert
werden. Dieses Ventil wird gesteuert, um sicherzustellen, daß die richtige
Fluidmenge in dem LP-Speicher gespeichert ist, um das gegenwärtig in
dem HP-Speicher gespeicherte Fluid auszubalancieren.
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Die
Ladungspumpe muß zu
jeder Zeit ihren Ausgangsdruck vom atmosphärischen Druck auf den Niederdruck
anheben, was eine erhebliche Energieverschwendung darstellt, und
die Gesamtwirksamkeit des Speichersystems verringert. Bei dieser
Konfiguration ist die P/M Einheit zum Überzentrumsbetrieb (overcentre
operation) in der Lage, so daß sie als
eine Pumpe mit positivem Versatz arbeitet, und ein Bremsen des Fahrzeugs
und eine Überführung von
Fluid von dem LP zu dem HP-Speicher verursacht. Sie arbeitet als
ein Motor mit negativem Versatz, indem sie Fluid von dem HP-Speicher
nimmt. Das Drehmoment des Motors ist eine Funktion des Versatzwerts
und der Druckdifferenz, so daß ein
Befehl des Fahrers von dem Steuersystem in einen Versatzwert übersetzt
wird.
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Andere
Systeme verwenden eine P/M Einheit, die lediglich zu einer Seite
des Zentrumbetriebs fähig
sind, wie in
US 4,760,697 typifiziert,
was einige zusätzliche
Steuerventile erfordert, um von Bremsen auf Beschleunigen umzuschalten.
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Es
ist vorteilhaft, das Gasvolumen des HP-Speichers mit elastomerischem
Schaum zu füllen,
da dieser dessen Betrieb im wesentlichen isotherm macht, was mit
einer erheblichen Verbesserung in der Wirksamkeit und weniger Problemen
mit hohen Gastemperaturen verbunden ist. Die Verwendung von Schaum
in dem LP-Speicher hat nur geringen Effekt hinsichtlich der Wirksamkeit,
aber trägt
zur Verringerung der Temperaturen bei.
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Der
in 1 gezeigte HP-Speicher ist als ein Blasenspeicher
(bladder typ) definiert, mit Schaum, der die Blasen im Abteil 2a auffüllt. Dies
entspricht der akzeptierten Technik, aber es gibt Bedenken hinsichtlich
der langfristigen Verläßlichkeit
der Blase, da sie nicht nur sich selbst, sondern ebenfalls den Schaum
verformen muß,
wenn der Speicher geladen wird.
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Idealerweise
ist der Schaum nicht permeabel und sollte mit dem Gas komprimieren,
so daß es
nur einen geringen Gasfluß durch
die Lücken
des Schaums gibt. Übermäßiger Fluß könnte den Schaum
beschädigen
und zu einem gewissen Verlust der Wirksamkeit führen. Es ist nicht möglich, mit einer
kollabierenden Blase gleichmäßige Kompression
bereitzustellen, was möglicherweise
zu einer Verschlechterung des Schaums und einem ansteigenden Fehlverhalten
der Blase führt. 2 zeigt
ein ähnliches
SHEP-System, das aber eine P/M Einheit verwendet, die den LP in
ihrem Gehäuse
bis zu etwa 10 bar aufnehmen kann. Dies wird als abgedichtetes SHEP-System
bezeichnet, da es von dem atmophäischen
Druck abgeschottet ist.
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Die
P/M Einheit 21, der HP-Speicher 22, das Anlaßventil 23,
der Transducer 24 und der LP-Speicher 25 wirken
wie mit Bezug auf die entsprechenden Komponenten in 1 beschrieben.
In diesem Fall muß die
Zirkulationspumpe 26 lediglich durch die Druckverluste
des Filters 27 und Kühlers 28 pumpen, was
zu einer erheblichen Energieeinsparung gegenüber dem offenen SHEP-System
von 1 führt. Eine
Leitung 29 sorgt für
den Zirkulationsfluß durch das
Gehäuse
der P/M Einheit, was oft ein Erfordernis für Betriebe bei hohen Drehgeschwindigkeiten
ist. Die Zirkulationspumpe ist jedoch typischerweise von dem elektrischen
System des Fahrzeugs angetrieben, was keinen effizienten Weg für die Energie
darstellt; vom Generator zu der Batterie, zu dem elektrischen Motor
und schließlich
zu der Pumpe. Die Pumpe könnte
abhängig
von der Systemtemperatur und minimalen Zirkulationserfordernissen
zur Leistungsminimierung mit verschiedenen Geschwindigkeiten betrieben
werden, was zu einer Steuerungskomplexität und höheren Kosten führt. Die
Pumpe stellt ebenfalls eine weitere potentielle Geräuschquelle
dar.
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Der
LP-Speicher 25 ist als ein herkömmlicher Kolbentypspeicher
gezeigt. Der Gleitkolben 30 muß lang genug sein, um stabil
zu sein und sich nicht zu kräuseln
und nicht in der Bohrung zu verklemmen. Es entspricht der gewöhnlichen
Vorgehensweise, den Kolben an der Gasseite auszuhöhlen, um
die Gesamtspeicherlänge
zu minimieren, da das Gas in keinem Fall vollständig komprimiert wird. Dieser
Aufbau ist jedoch für
den Schaum nicht ideal, da der Schaum/das Gas in der Kolbenausnehmung
komprimieren werden, was einen Fluß von Schaum/Gas von dem Hauptraum
in die Ausnehmung erfordert, was zu einem Verdrehen der Schaummatrix
führt und in
einen Gasfluß durch
deren Lücken
resultiert. Der HP-Speicher ist mit dem Kolben 31 gezeigt,
der der anderen Seite gegenüberliegt,
so daß der Schaum/Gas
Raum in regelmäßiger Weise
komprimiert wird. Es gibt jedoch ein nicht nutzbares Fluidvolumen
in dem Kolben, das einen länger
gemachten Speicher erfordert.
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Die
Veränderung
des LP-Speicherdrucks beim Aufladen und Entladen des Speichers mit HP-Fluid
ist die gleiche wie die für
das System von 1 erläuterte. In diesem Fall wirkt
der LP-Speicherdruck jedoch ebenfalls auf das P/M Gehäuse und
auf dessen Wellenabdichtung, so daß der LP-Speicher in der Praxis
vergleichsweise groß sein muß, um den
maximalen LP-Speicherdruck innerhalb der Bewertungen des Gehäuses und
der Wellenabdichtung einzuschränken.
Die P/M Wellenabdichtung ist eine kritische Komponente, da sie über den
Bereich von Niederdruckspeicherdrücken und P/M Drehgeschwindigkeiten
leckfrei bleiben muß. Um
im Umfeld der Automobilindustrie akzeptiert zu werden, muß es die
abgedichtete Integrität
des Systems für
die Lebensdauer des Fahrzeugs verläßlich beibehalten.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die das Erfordernis für die Zirkulationspumpe
in einem abgedichteten SHEP-System durch Verwendung von zwei LP-Speichern
aufhebt; einen ersten großen
Speicher 45 und einen zweiten kleinen Speicher 46.
Die P/M Einheit 41, der HP-Speicher 42, das Anlaßventil 43 und
der Drucktransducer 44 sind wie in den vorherigen Figuren. Wenn
das Fahrzeug beschleunigt und die P/M Einheit in dem Motormodus
ist, strömt
Fluid von dem HP-Speicher 42 durch die P/M Einheit 41 zu
dem ersten großen
LP-Speicher 45 und durch das Rückschlagventil 49 zu
dem zweiten kleinen Speicher 46.
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Während des
Bremsens, wenn die P/M Einheit in dem Pumpmodus ist, strömt Fluid
von den LP-Speichern 45, 46 zu der P/M Einheit
zu dem HP-Speicher 42. Der Fluß von dem großen LP-Speicher 45 geht
direkt zu der P/M Einheit, aber der Fluß von dem kleinen Speicher
ist durch das Rückschlagventil 50,
durch das P/M Gehäuse,
den Filter 47 und den Kühler 48 gerichtet,
bevor er den Einlaß der
P/M Einheit erreicht. Dies sorgt für Zirkulation und Kühlung eines
Anteils des Fluids während
dem halben Zyklus. Die Rückschlagventile 49 und 50 können umgedreht
werden, um für
ein Zirkulieren während
des Beschleunigens zu sorgen, wenn dies erwünscht ist. Der einzige Wirksamkeitsverlust
ist der Druckverlust durch den Filter und den Kühler, welcher größenmäßig gewählt werden
kann, um dem tatsächlichen Kühlflußerfordernis
zu genügen,
wobei der kleine Speicher größenmäßig zur
Bereitstellung dieses Flusses ausgelegt ist.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform, die
für Zirkulation
während
der beiden Betriebsmodi sorgt. Während
der Beschleunigung, wenn die P/M Einheit in dem Motormodus ist,
verläuft
der Hauptfluß des
Fluids von dem HP-Speicher 42 zu dem LP-Speicher 45,
der zirkulierende Fluß kommt
durch das Rückschlagventil 52,
das P/M Gehäuse,
den Filter 47, den Kühler 48 und
das Rückschlagventil 59 zu dem
kleinen LP-Speicher 46. Während des Bremsvorgangs, wenn
die P/M Einheit in dem Pumpmodus ist, verläuft der Hauptfluß des Fluids
von dem LP-Speicher 45 zu dem HP-Speicher 42.
Der zirkulierende Fluß kommt
von dem kleinen LP-Speicher 46 durch das Rückschlagventil 50,
das P/M Gehäuse, den
Filter 47, den Kühler 48 und
das Rückschlagventil 60 zu
dem P/M Eingang für
die Überführung zu dem
HP-Speicher 42. Dies stellt in wirksamer Weise einen Zirkulationsfluß bereit,
der ein kleiner Anteil des Fluidflusses, aber ein im wesentlichen
fester Anteil des Hauptflusses ist. Der im Vergleich mit 3 häufigere
Fluß durch
den Kühler
bedeutet, daß der Kühler kleiner
ausgelegt sein kann, mit einem kleineren Flußerfordernis, was zu einem
kleineren kleinen Speicher 46 führt.
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Ein
kompensierter oder druckkompensierter Speicher kombiniert in wirksamer
Weise hohen und niedrigen Druck in eine Montageanordnung, so daß der Fluß in die
HP-Seite durch den Fluß von
der LP-Seite ausgeglichen ist. Im wesentlichen besteht er aus zwei
Kolbenspeichern, die axial zusammen mit den Kolben über eine
Verbindungsstange verbunden plaziert sind. US Patent Nr,. 2,721,446
und US Patent Nr. 3,918,498, hierin durch Bezugnahme eingeschlossen,
beschreiben eine solche Vorrichtung. In seiner einfachsten Form
entledigt er sich des Erfordernisses nach einem LP-Speicher, da
der Fluß in den
HP-Speicher durch
den Fluß von
dem LP-Kolben vollständig
ausgeglichen wird.
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5 zeigt
ein SHEP-System, das einen kompensierten Speicher 62 verwendet,
wobei die P/M Einheit 41, das Anlaßventil 43 und der
Drucktransducer 44 wie zuvor sind. Der ausgeglichene Speicher 62 besteht
aus einer zylindrischen Gehäusekonstruktion,
die eine vorgeladene gas/schaumgefüllte Hochdruckkammer 65 mit
einer sich wechselseitig bewegenden Kolbenanordnung umschließt, welche
aus einem HP-Kolben 66, LP-Kolben 67 und einer
axialen Verbindungsstange 68 besteht, wobei alle wie gezeigt
mit Dichtungen versehen sind. Die Kammer 69 zur linken
des HP-Kolbens, wie in 5 zu sehen, ist mit der SHEP
HP-Fluidseite verbunden, während
die Kammer 70 zur rechten des LP-Kolbens mit der SHEP LP-Fluidseite
verbunden ist. Die Kammer 71 zur linken des LP-Kolbens
ist mit der Atmosphäre
durch die Filterbelüftungsöffnung 72 verbunden.
Die zylindrische Form der HP-Schaum/Gaskammer
ist dahingehend ideal, daß das
Gas und der Schaum in einfacher Weise miteinander komprimiert werden
können,
ohne Verdrehung der Schaummatrix oder Gasfluß durch die Schaumlücken.
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Ein
Fluß von
HP-Fluid in die Speicher-HP-Kammer 69 wird eine Bewegung
der Kolbenanordnung nach rechts verursachen, ein gleiches Volumen
an Fluid aus der LP-Öffnung 78 versetzen und
Luft durch die Lüftungsöffnung 72 einziehen. Umgekehrt
wird ein Fluß von
HP-Fluid aus dem Speicher 62 eine Bewegung der Kolbenanordnung
nach links verursachen, und ein gleiches Volumen von LP-Fluid in
die LP-Kammer 70 ziehen, und Luft durch die Belüftungsöffnung 72 hinausdrücken. Ein
kleiner LP-Speicher 75 ist erforderlich, um sicherzustellen, daß ein geeigneter
Ladungsdruck an dem P/M Eingang aufrechterhalten wird, und um Volumenveränderungen
aufgrund von Systemtemperaturänderungen
und anderen Faktoren auszugleichen. Während eines normalen Brems-
und Beschleunigungszyklus gibt es keinen Fluß in und aus dem Speicher,
so daß eine
Zirkulationspumpe 76 erforderlich ist. Im Gegensatz zu
dem in 2 dargestellten äquivalenten System gibt es
keine Veränderung
des LP, wenn der Speicher geladen und entladen wird, was bedeutet, daß der LP-Speicherdruck
zu jeder Zeit groß genug für die P/M
Einheit bei deren größter Betriebsgeschwindigkeit
sein muß.
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Die
Kolbenfläche 73 an
der linken Seite des HP-Kolbens ist aufgrund des Vorhandenseins
der Verbindungsstange 68 kleiner als die Fläche 74 an der
rechten Seite. Die Verbindungsstange ist durch den Niederdruck in
der LP-Kammer 70, die auf die rechte Seite des LP-Kolbens
wirkt, unter geringer Spannung gehalten. Die Kraftbalance der Kolbenanordnung
bedeutet, daß der
HP-Fluiddruck immer etwas höher
als der HP-Gasdruck sein wird, und zwar um eine Menge, die primär von der
relativen Größe der Verbindungsstange
abhängt.
Je kleiner der Durchmesser der Verbindungsstange ist, desto kleiner
ist der Unterschied zwischen dem Fluid- und dem Gasdruck. Ein Fluiddruck,
der größer als
der Gasdruck ist, ist günstig
innerhalb sensibler Grenzen, da die Kolbenabdichtung immer in die
gleiche Richtung wirkt, unabhängig
von der Richtung der Kolbenbewegung, sie besser gleitfähig gemacht
wird und es einfacher ist, ein Fluid mit vergleichsweise hoher Viskosität als ein
Gas mit niedriger Viskosität
abzudichten.
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Die
Kolben 66 und 67 können im Vergleich mit den Kolben 30 und 31 (2)
von kurzer Länge sein,
da sie durch die Verbindung mittels der Verbindungsstange 68 stabilisiert
sind, vorausgesetzt, daß die
Stange sowohl von ausreichendem Durchmesser ist als auch geeignet
verbunden, um eine stabile Unterstützung der Kolben bereitzustellen.
Für praktische
Zwecke bedeutet dies, daß die
Verbindungsstange größer sein
soll, als für
ein einfaches Dagegenhalten gegen die geringe Spannkraft von dem
auf den LP-Kolben wirkenden Niederdruck erforderlich wäre. Der
ausgeglichene Speicher sorgt für
eine Verringerung der Gesamtgröße um etwa
25% des Volumens, da die Kolben kürzer als diejenigen in 2 gezeigten
sein können
und das erhebliche LP-Gasvolumen nicht erforderlich ist.
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Die 6 und 7 zeigen
einen Aufbau für einen
ausgeglichenen Speicher, bei dem die zentrale Verbindungsstange 68 aus 5 von
drei gleich beabstandeten Verbindungsstangen 81 mit kleinem Durchmesser
ersetzt ist. Dies sorgt für
eine stabile Unterstützung
der Kolben 82 und 83, so daß diese mit kurzer Länge verbleiben
können,
während
eine kleine Gesamtverbindungsstangenquerschnittsfläche erreicht
wird. Die kleine Querschnittsfläche
der Verbindungsstangen verringert den Unterschied in der effektiven
Fläche,
so daß die
Fläche 84 an
der Fluidseite des HP-Kolbens 82 nur noch geringfügig kleiner
als die Fläche 85 an
der Gasseite ist, mit dem Ergebnis, daß der Fluiddruck nur geringfügig größer als
der Gasdruck ist, um eine Kraftbalance zu erhalten. Typischerweise
ist eine Druckdifferenz von etwa 10 bar mit einem maximalen Speicherdruck
von 350 bar zu erreichen. Dies wird als ideal angesehen, um für eine stabile
Abdichtleistungsfähigkeit
mit einem Minimum an Reibung und Abnutzung bereitzustellen.
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Es
ist zu verstehen, daß mehr
als drei Verbindungsstangen verwendet werden können, wenn erforderlich, um
einen Konstruktionsvorteil zu erfüllen. Bei einem typischen SHEP
Aufbau wird der Speicher horizontal liegen, da diese Lage in sehr
einfacher Weise innerhalb der Fahrzeugstruktur unterzubringen ist.
Die meisten Speicher für
industrielle Energiespeicherzwecke sind vertikal angebracht. Der
in 7 dargestellte Aufbau weist den weiteren Vorteil auf,
daß die
Drehlage der Kolben aufrechterhalten wird, was den Einbau von stellungssensitiven
Vorrichtungen in den Kolben erlaubt, die anderweitig in dem Speichergehäuse eingebaut
werden müßten.
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Speicher
vom Gastyp sind temperatursensitiv. Der Druck des elastomerischen
Schaums minimiert in wirksamer Weise die Wirkungen von einem Temperaturanstieg
durch Komprimierung, aber die Umgebungstemperatur eines Speichers
in einem Automobil kann in großem
Maße variieren,
abhängig von
den gegenwärtigen
Wetterbedingungen und weiteren Faktoren wie etwa der Nähe des Abgassystems und
des Wärmetransfers
von dem Hydraulikfluid zu dem Gas. Nimmt man z.B. ein Energiespeichersystem,
das einen gestalteten Druckbereich von 175 bis 350 bar hat, ist
die P/M Einheit größenmäßig ausgelegt,
um den erforderlichen Zug bei vollständigem Versatz bei 175 bar
bereitzustellen, wobei bei höheren
Drücken
ein geringerer Versatz verwendet wird. Drücke geringer als 175 bar würden die
gestaltete Traktion nicht bereitstellen, können aber immer noch einige
nützliche
Energie im Vergleich zu motorgetriebenen Fahrzeugsantriebssystemen
bereitstellen. Eine herkömmliche
Steuerung, die einen HP-Speicherdrucktransducer verwendet, würde annehmen, daß der Speicher
leer ist, wenn der Druck auf 175 bar abfällt, so daß diese Energie nicht verfügbar ist.
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Wenn
das HP-Gas auf 175 bar bei z. B. 60°C vorgeladen ist, wie gestaltete
Arbeitstemperatur, wird der Vorladedruck etwa 135 bar bei 0°C betragen,
was eine nützliche
Speicherkapazität
von nur 75% der Gestaltung ergibt, wenn nur der Bereich von 175
bis 350 bar verwendet wird. Wenn der vollständige Versatz des Speichers
von 135 bar bis 350 bar verwendbar ist, ist tatsächlich mehr Energie verfügbar, als wenn
bei der gestalteten Temperatur betrieben, aber mit verfügbarer Traktion,
die auf 75% abfällt,
wenn der Speicher vollständig
entleert wird.
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Die
Veränderung
des unteren Cutoffs des HP-Speichergebrauchs macht es schwierig,
einen Drucktransducer zur Steuerung zu verwenden. 8 zeigt
einen ausgeglichenen Speicher, mit eingebauten Lagesensoren zu Kontrollzwecken
in der atmosphärischen
Kammer und/oder der LP-Fluidkammer. Die Verwendung von Benachbarkeits-Schaltern in einem
Blasentyp HP-Speicher ist unpraktisch, und in einem Kolbentyp aufgrund
der hohen Drücke
schwierig.
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Der
LP-Kolben 91 bewegt sich nach links, wie in 8 zu
sehen, wenn die gespeicherte Energie das Fahrzeug bis zum Auslösen des
Sensors 92 beschleunigt, der anzeigt, daß der Speicher
leer ist. Während
des Bremsens bewegt sich der Kolben 91 nach rechts, bis
entweder der Sensor 93 ausgelöst wird, der anzeigt, daß der Speicher
voll ist, oder der Drucktransducer 94 signalisiert, daß der maximal
erlaubbare Druck erreicht worden ist. Diese Kombination von Lagesensoren
und Drucktransducern sorgen für
die maximale Benutzbarkeit des Speichers über einen Bereich von Temperaturbedingungen.
Unter sehr kalten Bedingungen kann ein LP-Transducer, der liest,
wenn der Speicher leer ist, wie durch Sensor 92 angezeigt,
verwendet werden, um ein nicht gezeigtes Gasheizsystem einzubringen,
wie es in US Patent Nr. 4,367,786 typifiziert ist, indem Motorkühlmittel
oder Abgase verwendet werden. Die Lagesensoren 92 und 93 können von
irgendeinem bekannten Typ sein. Alternativ kann ein Lagetransducer 95 mit langer
Reichweite, wie etwa von dem Überschalltyp, verwendet
werden.
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Es
ist vorteilhaft für
ein SHEP oder hydraulisches Hybridsystem, als eine einzige abgedichtete Einheit
gepackt zu sein, die in einem vollständig montierten Zustand und
getestete Hardwarekomponente in das Fahrzeug eingebaut werden kann;
und nicht Stück
um Stück
eingebaut wird, wie ein normales hydraulisches System, bei dem nachfolgend
Verbindungsleitungen eingebaut werden, das System dann mit Fluid,
Druckladung, Luftbläschen
gefüllt
wird, und Testlauf. Die 5, 9 und 10 zeigen
einen ausgeglichenen Speicher 100 mit Leitungen 101 und 102,
die die Speicheröffnungen
mit einem Ventilblock 103 verbinden, der all die für das SHEP
System erforderlichen Ventile enthält.
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Die 9 und 10 zeigen
die Leitungen 101, 102 jeweils in den Ecken 103, 104 der
Anordnung, so daß die
Gesamtpaketabmessung nicht erhöht
wird. Die 11 und 12 zeigen
eine ähnliche
Anordnung, bei dem die Leitungen innerhalb des kompensierten Speichers
angeordnet durch den Kolben 120 führen, um ein kompakteres und
gefälliger aussehendes
Paket herzustellen. Hoch- und Niederdruckleitungen 111 und 112 sind
mit dem Ventilblock 113 verbunden, die HP-Leitung 111 ist
mit der HP-Seite des Speichers durch den Weg 114 verbunden.
Eine Dichtung 115 in dem LP-Kolben 120, der die
Leitung 111 umkreist, verhindert Leckverluste, wenn der
Kolben durch die Verbindungsstange 118 wechselseitig bewegt
wird.
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Die
LP-Leitung 112 ist mit der LP-Seite des Speichers durch
den Weg 116 verbunden. Eine Dichtung 119 in dem
LP-Kolben 120, die die Leitung 112 umkreist, verhindert
Leckbildung, wenn der Kolben sich wechselseitig bewegt. Der Durchmesser
der LP-Kammer 117 kann größer gemacht werden als der
Durchmesser der HP-Kammer, wie dargestellt ist, um eine gleiche
Kolbenfläche
unter Einbeziehung der Leitungen bereitzustellen.
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13 zeigt
einen ausgeglichenen Speicher 121, bei dem der HP-Kolben 122 größer als
der LP-Kolben 123 ist. Dies bedeutet, daß, wenn
der Speicher während
des Bremsens des Fahrzeugs geladen wird, der Einfluß zur HP-Seite
nicht vollständig durch
den Ausfluß von
der LP-Seite ausgeglichen wird, wobei der Unterschied durch einen
kleinen Speicher 124 ausgeglichen wird. In ähnlicher
Weise ist, wenn der Speicher während
der Beschleunigung entladen wird, der Ausfluß von der HP-Seite größer als
der Einfluß zur
LP-Seite, wobei
der Unterschied zu dem kleinen Speicher geht.
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Die
Vier-Rückschlagventilgruppe 125,
oben mit Bezug auf 4 beschrieben, arbeitet so,
daß der
gesamte Fluß in
und aus dem kleinen Speicher durch das P/M Gehäuse, den Filter und den Kühler gelangt,
und so das Erfordernis nach einer Zirkulationspumpe vermieden wird.
Der Unterschied in den Kolbendurchmessern und die Größe des kleinen Speichers
kann so gewählt
werden, daß jegliche
erwünschte
Menge an Zirkulation und ein vernünftiger Anstieg in dem P/M
Eingangsdruck bereitgestellt wird, wenn der Hauptspeicher zur Beschleunigung des
Fahrzeugs entleert wird. Der Zirkulationsvorgang würde gleichfalls
gut arbeiten, wenn der LP-Kolben größer wäre als der HP-Kolben, da nur
ein Unterschied in deren Größen erforderlich
ist, aber die Änderung
in dem P/M Eingangsdruck würde
dann negativ sein, wenn sich der Hauptspeicher entleert, was eine
weniger favorisierte Option darstellen würde.
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Das
System von 13 erfordert einen kleinen Speicher,
der hinsichtlich des Einpassens in einen einheitlichen Aufbau unhandlich
ist. 14 zeigt einen ringförmigen kleinen Speicherkolben 131,
der integral und konzentrisch mit dem LP-Ende des ausgeglichenen
Speichers 132 ausgelegt ist. Der kleine Speicherkolben 131 ist
ein ringförmiger
Reif, der reziprok an dem Ring 135 angebracht ist und eine
ausreichende Länge
haben muß,
um stabil zu sein und nicht in einem ringförmigen Zylinder zu knicken/biegen.
Diese Anordnung kann ohne erhebliche Erhöhung der Paketabmessungen erreicht
werden, da sowohl der LP-Kolben 133 kleiner als der HP-Kolben 134 ist,
als auch das HP-Ende mit einer dickeren Wand als die Wanddicke des
LP-Endes gebaut sein muß,
um dem hohen Druck zu widerstehen.
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15 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, die die Mehrfachverbindungsstangen 141 der 6 und 7 verwendet,
wobei der kleine Speicher 142 konzentrisch innerhalb des
LP-Kolbens 145 des ausgeglichenen Speichers angebracht
ist. Eine kleine Speichergasvorladung, typischerweise etwa 5 bar,
wird durch das Ladungsventil 143 und durch Wege 144 eingeführt. Der
LP-Kolben 145 ist als ein ringförmiger Reif gezeigt und kann
von kurzer Länge
sein, da er von den gleich beabstandeten Verbindungsstangen 141 stabil
gehalten ist. Die Integration der LP-Kammer, integriert in die Mitte
des LP-Speichers,
eliminiert das Erfordernis nach einem getrennten LP-Speicher zur
Erzeugung eines Kühlflusses.
Ein Fluß von
dieser zentralen Kammer wird für
sowohl für
den Beschleunigungs- als auch den Bremsmodus durch das Pumpen/Motorgehäuse gerichtet.
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Die
Zugangsöffnung 146 des
kleinen Speichers ist beabsichtigt an der Oberseite des Speicherzylinders 142 angeordnet,
um Luftansammlungen zu verhindern. Der kleine Speicher ist mit der
Gasverbindung an der zentralen Platte des kompensierten Speichers
gezeigt. Es kann umgedreht werden, mit der Gasverbindung an der
Endplatte, wenn dies für eine
besondere Konstruktion günstig
ist. Der kleine Speicher ist konzentrisch mit dem LP-Kolben und Zylinder
gezeigt, kann aber nicht mittig positioniert werden, wenn dies für eine besondere
Konstruktion günstig
ist.
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US
Patent Nr. 2,764,999 zeigt in 2 und US
Patent Nr. 4,714,094 zeigt in 3 Speicherkonstruktionen,
bei denen das HP-Gas auf die Außenseite
des Zylinderrohrs wirkt, so daß es
im wesentlichen spannungsfrei ist, wobei beide Patentschriften hiermit
durch Bezugnahme einbezogen sind. Dieser Aufbau, insbesondere der
der zweiten Offenbarung, würde
die bevorzugte Konstruktion für
SHEP Anwendungen sein, gäbe
es nicht das Erfordernis, elastomerischen Schaum in den HP-Gaszylindern
zu verwenden.
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15 stellt
einen bevorzugten Aufbau für das
HP-Ende des ausgeglichenen Speichers dar, der für die Verwendung von Schaum
geeignet ist. Ein abgezogener Stahleinsatz 147 sorgt für die Bohrung
für die
wechselseitige Bewegung des abgedichteten HP-Kolbens 148.
Bei einer herkömmlichen
Ausgestaltung ist dies ein Teil des Aufbaus des Druckgefäßes 151 und
wird unter Druck expandieren und eine vergrößerte Extrusionslücke für die Dichtung
bereitstellen, und wird jeglichen Dispersionen ausgesetzt, die während der
Herstellung und/oder nachfolgend aufgrund von Anbringungs- oder
anderen externen Kräften
auftreten können.
Bei dieser Ausführungsform
ist HP-Fluid im Gegensatz zu Gas, wie in den Referenzen gelehrt
wird, mit der Außenseite
des Einsatzes durch Verbindungsgalerien verbunden, die durch Bezugsnummer 149 bezeichnet
sind, so daß der
Hydraulikdruck gleichermaßen
auf die Außenseite
des Einsatzes wirkt, und diesen im wesentlichen spannungsfrei werden
läßt. Natürlich kann
dies auch für
Einzelkolbenspeicher angewendet werden. Der dargestellte Aufbau
zeigt den Einsatz, der die Länge des
HP-Kolbenhubs aufweist,
mit einer Dichtung 150, die das Fluid von dem Gas trennt.
Abhängig
von den Umständen
der Konstruktion kann der Einsatz sich über die volle Länge der
HP-Kammer erstrecken.
Die Dichtung kann durch ein adhäsives
Band zwischen dem Einsatz und dem Druckgefäß 151 ersetzt werden,
insbesondere wenn das Druckgefäß aus einem
zusammengesetzten Aufbau besteht. Die Bereitstellung von einiger
Zirkulation des Fluids zwischen dem Einsatz und dem Druckgefäß kann dazu verwendet
werden, das HP-Gas mit dem Hydraulikfluid aufzuwärmen, um sowohl die Speicherkapazität des Speichers
zu verbessern als auch eine gewisse Kühlung für das Hydrauliksystem bereitzustellen.
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Hydrauliksysteme
sind für
externe Leckverluste von Hydraulikfluid anfällig, und große Sorgfalt muß bei Gestaltung
und Einbau des Systems aufgewendet werden, um eine verläßliche Lösung bereitzustellen.
Ein SHEP System muß für die gesamte
Lebensdauer des Fahrzeugs frei von externen Leckverlusten sein.
Eine der für
die Minimierung der Möglichkeiten
von Leckverlusten verwendeten Strategien besteht darin, alle externen
dynamischen Dichtungen zu minimieren und sicherzustellen, daß diejenigen, die
unvermeidlich sind, nur bei geringem Druck dichten, vorzugsweise
bei atmosphärischem
Druck. Atmosphärische
Dichtungen können
das gleiche Niveau von Verläßlichkeit
bereitstellen wie Motor- und Getriebeboxwellendichtungen, die herkömmlicherweise
für Straßenfahrzeuge
verwendet werden.
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Im
Zusammenhang mit einem SHEP abgedichteten System mit ausgeglichenem
Speicher, wie hierin beschrieben, gibt es zwei externe dynamische Dichtungen,
nämlich
die P/M Wellendichtung und die LP-Kolbendichtung. Beide dieser Dichtungen
sind dem Niederdruck von etwa 10 bar ausgesetzt. Die Wellendichtung
ist die am meisten kritische, da es eine erhebliche Aufgabe ist,
eine drehende Dichtung herzustellen, die für Jahre bei einem derartigen Druck
eine tröpfelfreie
Leistung bereitstellt, sowohl drehend als auch stationär über einen
Bereich von Betriebstemperaturen. Es ist eine viel einfachere Aufgabe,
eine Dichtung bereitzustellen, die gewisse Tröpfelverluste hat.
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In
dieser Situation ist es übliche
Praxis, eine zweite Dichtung mit einem rückbringenden Sogl (drain) zu
einem atmophärischen
Reservoir zu haben. Ein abgedichtetes SHEP System (wie z. B. in 2 gezeigt)
hat jedoch kein atmosphärisches
Reservoir oder eine Ladepumpe, um Dichtungströpfelverluste zum hydraulischen
System zurückzupumpen.
Die 16 und 17 stellen
eine Einrichtung zur Überwindung
dieses Nachteils dar, indem die atmosphärische Kammer 161 eines
ausgeglichenen Speichers als ein atmosphärisches Reservoir verwendet
wird, und indem die wechselseitige Wirkung des LP-Kolbens 162 als
eine Aufladepumpe funktioniert. Ein atmosphärischer Sog 163 ist
an der P/M Einheit bereitgestellt, indem eine zweite Wellendichtung
in einer nicht gezeigten aber für
Drehdichtungshersteller gut bekannten Weise verwendet wird, die mit
einem Pumpreservoir 164 verbunden ist, vorzugsweise integral
mit der Filterbelüftungsöffnung 165.
Das Pumpreservoir saugt in die Galerie 166. Jegliche Leckverluste
von der Druckwellendichtung der P/M Einheit zusammen mit jeglichen
Leckverlusten des LP-Kolbens werden dann auf dem Boden der atmosphärischen
Kammer 161 gesammelt.
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Das
Rückschlagventil 167 stellt
eine Verbindung von der atmosphärischen
Kammer zur LP-Seite 168 bereit, verbunden mit dem kleinen
Speicher 169. Das Rückschlagventil 167 ist
normalerweise durch den LP-Druck geschlossen gehalten. Vorzugsweise sollte
das Rückschlagventil
von weich-sitzender Gestaltung sein, um selbst frei von Leckverlusten
zu sein. Der LP-Kolben bewegt sich nach links, wenn der Speicherinhalt
entladen wird. Ein Stößel 170 ist an
dem Ende des LP-Kolbens gebildet, welches in einer abdichtenden
Weise mit der Galerie 166 koppelt. 16 zeigt
die Kolbenstellung gerade bevor die Galerie abgeschlossen wird.
Sobald die Galerie abgeschlossen ist, ist das verbleibende Volumen
in Kammer 161 abgeschlossen und ein weiterer Schub des Kolbens
nach links, wie in 16 zu sehen, wird die Luft mit
jeglichem Fluid darin komprimieren.
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17 zeigt
den ausgeglichenen Speicher vollständig entladen, mit dem HP-Kolben 171 an
dem linken Ende seines Hubs. Das Endvolumen 172 bei der
atmosphärischen
Kammer ist derart gestaltet, daß es
ein Kompressionsverhältnis
von etwa 4:1 ergibt, nachdem es anfänglich abgeschlossen und von dem
Stößel 170 isoliert
worden ist. Wenn kein Fluid von den Leckverlusten vorhanden ist,
wird das Gas in dem verbleibenden Volumen komprimiert, um einen Druck
von etwa 6 bar hervorzurufen, nicht genug, um das Rückschlagventil 167 gegen
den Niederdruck zu öffnen,
so daß kein
Gas in das Hydrauliksystem gezwungen wird. Wenn Fluid von den Leckverlusten vorhanden
ist, wird das Luftvolumen verringert, aber die Änderung in dem Volumen bleibt
im wesentlichen die gleiche, so daß der Kompressionsdruck erhöht wird,
bis es einen Wert gleich oder größer als
den Niederdruck erreicht, zu welcher Zeit etwas des Fluids auf dem
Boden der atmosphärischen
Kammer in das hydraulische System zurückgezwungen wird. Dies stellte
in automatisches Aufladesystem bereit. Das Pumpreservoir funktioniert,
um jegliche Leckverluste zu speichern, die während der Zeit auftreten können, zu
der der Hauptspeicher vollständig
entladen ist und es keinen Zugang zu der atmosphärischen Kammer gibt.
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Das
gleiche System kann ebenfalls auf ein offenes Reservoir SHEP System
(wie z.B. in 1 gezeigt) angewandt werden,
um den Gehäusetröpfelfluß von einer
P/M Einheit mit einem Atmosphärendruckgehäuse zu rezirkulieren,
wie mit Bezug auf 18 dargestellt ist. Die P/M
Gehäusetröpfelverluste 181 gelangen
zu dem atmosphärischen
Reservoir 182. Überfluß 183 gelangt
zu der atmosphärischen Kammer 184,
um in den LP-Speicher 186 durch das Rückschlagventil 185 zurückgepumpt
zu werden. Der Speicher 186 wirkt in Kombination mit der Öffnung 187 sowohl
dahingehend, den LP-Druck aufrecht zu halten, als auch die pulsierende
Ablieferung für
jeden Ladungs- und Entladungszyklus von dem Kompressionspumpsystem
zu glätten.
Dieses System hat den Vorteil, den Gehäusetröpfelfluß automatisch nur dann zu pumpen,
wenn er auftritt.
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18 zeigt
den ausgeglichenen Speicher mit gleichen Kolbendurchmessern, aber
ungleiche Kolbendurchmesser können
verwendet werden, wenn der Gehäusetröpfelfluß nicht
für eine
ausreichende Zirkulation sorgt.
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19 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer
Kompressionspumpe, die einen ausgeglichenen Speicher mit Mehrfachverbindungsstangen
derart verwendet, daß die
Kolben in einer definierten Vertikalität gehalten werden, was es dem
Aufladerückschlagventil 191 erlaubt,
in dem Kolben 192 angebracht zu sein. Ein federgeladener
Stößel 193 schließt anstelle
von STEM 170 (17) die Eingangsöffnung 194 ab,
um die gleiche Kompressionspumpenwirkung bereitzustellen, wie zuvor
mit Bezug auf die Ausführungsform
von 17 erläutert.
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Eine
der Funktionen des Reservoirs in einem System, welches ein atmosphärisches
Reservoir verwendet, ist es, das Entweichen von jeglicher Luft zu erlauben,
die in das System während
der anfänglichen
Montage und Befüllung,
oder während
nachfolgendem Service eingeführt
worden ist. Es ist unvermeidlich, daß einige Lufttaschen in dem
Hydrauliksystem verbleiben werden, nachdem es befüllt wurde.
Wenn diese Taschen während
dem Anfangslauf des Systems unter Druck geraten, wird diese Luft schrittweise
in dem Fluid aufgelöst.
Normales Hydrauliköl
enthält
z.B. etwa 10 Vol.-% von aufgelöster Luft
bei atmosphärischem
Druck. Diese Menge erhöht
sich proportional mit dem Druck, so daß eine Sättigung bei zwei Atmosphären zu 20
Vol.-% führen würde, wenn
auf Atmosphäre
zurückgebracht.
Da das Öl,
das in das System eintritt, bei atmosphärischem Druck gesättigt ist,
wird die unter Druck zusätzlich
gelöste
Luft die Luftmenge auf über
10 % erhöhen.
Dann, wenn das Öl
zu dem Reservoir zurück zirkuliert,
wird die Luft zu der Atmosphäre
ausgelassen. Dieser Prozeß sorgt
für eine
kontinuierliche Luftreinigung des hydraulischen Systems, und ist
ein wichtiger aber wenig bekannter Faktor, der die Wirksamkeit des
hydraulischen Systems stützt.
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Abgedichtete
SHEP Systeme haben kein atmosphärisches
Reservoir, so daß die
eingeschlossene Luft keine Möglichkeit
zum Entweichen hat. Gegenwärtige
Praxis ist es, das Fluid während
des Testens durch ein atmosphärisches
Reservoir zu zirkulieren, und zwar mittels einer separten Zirkulationspumpe,
und lang genug, um aller eingeschlossener Luft zu erlauben, entfernt
zu werden. Dieser Vorgang ist unzuverlässig und zeitaufwendig, insbesondere für industrielle
Speicher, die auf deren Seite liegen, was eine große Menge
von Luft einfängt.
Speicher vom Kolbentyp bieten dahingehend einen Vorteil, daß die Öffnungen
einfach positionierbar sind, um die Menge an eingeschlossener Luft
zu minimieren, wie mit Bezug auf 15 erläutert.
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Nimmt
man das Vorhanden sein einer Aufladepumpe, wie etwa von dem zuvor
beschriebenen Typ an, kann eine automatische Luftreinigung eines SHEP
Systems erreicht werden, wie jetzt mit Bezug auf 20 beschrieben
wird. Mit einem kompensierten Speicher mit Mehrfachverbindungsstangen,
so daß die
Vertikalität
der Kolben fixiert ist, wird die Verbindung 201 zu der
LP-Kammer 202 in Richtung des Bodens des Speichers positioniert,
so daß jegliche freie
Luft dazu neigen wird, an der Oberseite der LP-Kammer eingeschlossen
zu werden. Soweit wie möglich
wird der Rest des Systems, einschließlich insbesondere des P/M
Gehäuses
und des kleinen Speichers, gestaltet und verbunden werden, um den Einschluß von Luft
zu minimieren. Die Verbindung zu dem kleinen Speicher 203 ist
im Wege eines Beispiels an der Oberseite gezeigt.
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Eine
kleine Federrückkehrstößelpumpe 204 ist
in dem LP-Kolben 205 angebracht, so daß sie bei Kontakt mit der Barrierenwand 206 betrieben
wird, wenn das System vollständig
geladen wird, mit einer Kolbenbewegung vollständig zur rechten Seite. Der Einlaß zu der
Stößelpumpe
zieht von der Oberseite der LP-Kammer bei Weg 207, um jegliche
Luft aufzunehmen, die vorhanden sein kann, und dann durch das Einschlagrückschlagventil 208.
Die Abgabe der Pumpe gelangt durch das Auslaßrückschlagventil 209 zu
der atmosphärischen
Kammer 210. Die Federstärke
des Rückschlagventils 209 muß stark
genug sein, den LP-Druck zurückzuhalten,
so daß es nur
einen Fluß gibt,
wenn der Stößel betrieben
wird.
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Alternativ
könnte
die Stößelpumpe
in der Barrierenwand angebracht sein und durch Kontakt mit dem LP-Kolben
betrieben werden, und dann mittels Leitungen mit der atmosphärischen
Kammer verbunden sein. Dies wäre
erforderlich, wenn die Vertikalität der Kolben nicht gesichert
wäre. Jegliche
gepumpte Luft wird durch die Filterbelüftungsöffnung nach außen gelangen.
Unter Normalbedingungen wird es nur das Hydraulikfluid sein, das
gepumpt wird. Wenn die aufgelöst
Luft größer als
die 10 % Sättigung
(für Öl) bei atmosphärischem
Druck ist, wird die Überflußluft ausgelassen
und durch die Filterbelüftungsöffnung nach
außen
gelangen. Die Aufladepumpe wird dann das Fluid zurück in das
System pumpen. Kontinuierlicher Betrieb des Systems, wobei das Fluid
durch die atmosphärische
Kammer umläuft,
wird dazu neigen, die aufgelöste
Luft in dem System langsam in Richtung des atmosphärischen Sättigungsniveaus
zu bringen.
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Solange
kein mechanischer Stopper für
den HP-Kolben vorgesehen ist, besteht die Gefahr, die Verbindungsstange(n)
zu überspannen,
wenn der Speicher fortwährend
aufgeladen wird, nachdem der LP-Kolben das Ende seines Hubs erreicht
hat. Während
die Verwendung eines Lagesensorsystems, wie zuvor beschrieben, einem
Steuersystem erlauben würde,
dieses Auftreten zu verhindern, besteht ein Vorteil darin, ein automatisches
System zu haben, das positiv zur Verhinderung eines solchen Auftretens
wirkt.
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Die 21, 22 und 23 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform
eines derartigen Endschlagsschutzsystems. 21 zeigt
einen ausgeglichenen Speicher 211, mit einem HP-Kolben 212,
der das HP-Gas 213 von dem HP-Fluid 214 trennt.
Der LP-Kolben 215 trennt das LP-Fluid 216 von
der atmosphärischen
Kammer 217. Die beiden Kolben sind durch eine Anzahl von
Verbindungsstangen 218 verbunden, die durch die Zentralplatte 219 mit
Dichtungen 220 durchgehen. Der Speicher wird durch die HP-Öffnung 221 geladen,
wobei LP-Rückfluß von der LP-Öffnung 222 vorgesehen
ist. Diese Flüsse
sind während
des Entladens des Speichers umgekehrt. Die zentrale Platte hat ein
Endschlag (EOS) Ventil 223 eingebaut.
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Mit
Bezug auf 22: Das EOS-Ventil besteht aus
einem stopfenden Tellerventil 224, das mit einem in der
Zentralplatte gebildeten Ventilsitz 225 gekoppelt ist.
Das Tellerventil ist lose in der Ventilführung 226 getragen.
Die Ventilführung
hat eine Anzahl von Löchern 227,
um Fluidfluß zu
erlauben und wird in der zentralen Platte durch einen Haltering 228 gehalten.
Das Tellerventil ist von der Feder 229 in die geschlossene
Stellung gedrängt,
die zwischen der Ventilführung
und dem Tellerventil durch die Beilagscheibe 230 und den
Haltering 231 wirkt.
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Diese
Ausführungsform
verwendet eine selbstausrichtende Tellerventilgestaltung mit einem frusto-konischen
Sitz und einem passenden sphärischen
Bereich an dem Tellerventil. Zusätzlich
dazu, durch die Feder geschlossen zu sein, wird das Ventil durch
die Wirkung des Hochdrucks geschlossen gehalten. Die Kolbenanordnung
bewegt sich nach rechts, wenn der Speicher geladen wird, bis der LP-Kolben
das Ende des Tellerventilstopfens erreicht. Weitere Bewegung wirkt
zur Öffnung
des Ventils und zur Entlastung des Hochdrucks in den Niederdruck,
was das Fluid zu dem Pumpeneingang rezirkulieren läßt.
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23 stellt diese Wirkung mit dem LP-Kolben 232 dar,
der das Ventil aufstößt, um einen
Flußweg 233 zu
erlauben. Dieses System vereinfacht die Steuerung des Energiespeichersystems,
da es dann erlaubt ist, den Speicher vollständig zu laden, ohne sich um
Schäden
zu kümmern,
und das Erfordernis nach einer genauen Lageerfassung oder einer
genauen Druckmessung mit Ausgleich aufgrund der Temperatur verringert.
Vorausgesetzt, daß geeignete Kühlung vorgesehen
ist, kann ein System mit diesem eingebauten Ventil ein fortlaufendes
Fahrzeugbremsen mit der P/M Einheit bereitstellen, nachdem der Speicher
vollständig
geladen ist, da die kinetische Energie des Fahrzeugs umgewandelt
wird, um das Fluid durch die Drosselwirkung des EOS-Ventils zu erwärmen.
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Es
ist übliche
Praxis, einen Teil des gespeicherten HP-Fluids als Servovorrat zur
Steuerung der P/M Einheit zu verwenden, da dies das Erfordernis entfallen
läßt, eine
weitere Quelle von Servoenergie bereitzustellen. Dies führt jedoch
zu Schwierigkeiten, wenn der Speicher vollständig entladen ist, da dann kein
HP-Servo Fluid verfügbar
ist. Dies kann durch Verwendung einer Spannung der P/M Steuerung überwunden
werden, durch eine geeignete Feder oder andere Mittel, so daß die P/M
Einheit auf den Schlag inhärent
kommt, aber es ist schwierig, eine schnelle Steuerantwort bereitzustellen.
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Aus
diesem Grund ist es normalerweise die Praxis, eine vollständige Entladung
des Speichers während
Normalgebrauchs zu vermeiden, so daß Servodruck immer verfügbar ist,
wobei die Federspannung nur für
den anfänglichen
Aufstart verwendet wird, wenn der Speicher unvermeidlich vollständig entladen
ist. Dies verhindert die volle Energiefähigkeit des verwendeten Speichers
und führt
zu einer komplexen Steuerung, die eine genaue Messung der Position
der Kolbenanordnung und/oder eine genaue Messung von Druck und Temperatur
erfordert.
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Die 24, 25 und 26 stellen
bevorzugte Ausführungsform
für eine
Einrichtung zur automatischen Verhinderung der vollständigen Entleerung
des Speichers dar, so daß eine
Restmenge von HP-Fluid als Servovorrat verfügbar bleibt. Die 24 zeigt
einen ausgeglichenen Speicher, wie zuvor beschrieben mit HP- und
LP-Kolben durch eine Mehrzahl von Verbindungsstangen verbunden,
welche durch die Zentralplatte reichen. Es gibt zwei HP-Öffnungen,
eine Hauptöffnung 241 und
eine Servovorratsöffnung 242.
Die Ventilanordnung 243 ist vorzugsweise ein Daumenventil,
das besser verständlich
mit Bezug auf die 25 und 26 als ein
Ventilteller 244 mit einem Hut 245 dargestellt
ist, durch eine Gewindeeinrichtung zusammengebunden, um gleitend
auf einem Tropfen 246 angebracht zu sein, der mittels einer
Gewindeeinrichtung an dem HP-Kolben befestigt ist. Eine Feder 247 drängt die Telleranordnung
so weit von dem HP-Kolben weg, soweit es der Kopf 248 auf
dem Pfropfen erlaubt.
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Ein
Ventilsitz 249 ist in die Zentralplatte eingebaut. Dieser
Sitz koppelt mit einer entsprechenden passenden Fläche auf
den Teller, wenn das Daumenventil geschlossen wird. Diese Ausführungsform
verwendet eine selbstausrichtende Daumenventilgestaltung mit einem
frusto-konischen Sitz und einem passenden sphärischen Bereich des Daumenventils.
Die Kolbenanordnung bewegt sich nach links, wie in den 25 und 26 zu
sehen, wenn der Speicher entladen wird. Wenn der HP-Kolben sich
der Zentralplatte nähert,
schließt
das Daumenventil gegen den Sitz in der Zentralplatte, und schließt eine
Menge an HP-Fluid so ein, daß es
nicht weiter durch die Haupt-HP-Öffnung
entladen werden kann. Die Servoöffnung
ist jedoch weiter offen, und HP-Fluid ist durch diese Öffnung verfügbar.
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26 zeigt
den Aufbau des Daumenventils wenn es schließt und nachdem etwas Servofluß verwendet
worden ist. Der HP-Kolben 250 kontaktiert die Zentralplatte 251 gerade
noch nicht, wobei der Teller gegen den Sitz abdichtet. Die Telleranordnung hat
den Pfropfen teilweise nach unten gegen die Feder bewegt. Die Telleranordnung
ist ebenfalls durch die Wirkung des Hochdrucks geschlossen gehalten, da
die Hauptöffnung
nicht länger
unter Druck steht.
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Ein
weiterer Verbrauch von Servofluid würde verursachen, daß der HP-Kolben
näher zu
der Zentralplatte bewegt wird, bis diese kontaktieren. Dann wäre kein
weiteres Servofluid verfügbar.
Der Hub der Telleranordnung auf den Pfropfen übertrifft leicht den Schließhub des
HP-Kolbens, so daß der
Hauptkontakt zwischen dem HP-Kolben und der Zentralplatte erfolgt
und nicht durch die Daumenventilanordnung. Das Daumenventil vereinfacht
die Steuerung des Energiespeichersystems, da es dann erlaubt ist,
aus der Haupt-HP-Öffnung
vollständig
zu entladen und dennoch einige Energie für Servooperationen zurückzuhalten,
was das Erfordernis nach einer genauen Positionsbestimmung und/oder
genauen Druckmessung mit Ausgleich für die Temperatur verringert.
Das Daumenventil stellt einen zusätzlichen Vorteil dahingehend
bereit, daß der
Druck auf jeder Seite der Dichtung des HP-Kolbens während Normalbetrieb als
im wesentlichen gleichgehalten werden, wobei es für die Dichtung
nur erforderlich ist, den vollen Gasvorladedruck zu halten, wenn
der Servovorrat vollständig
entladen ist.
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Ein
SHEP Energiespeichersystem besteht aus einer Anzahl von Komponenten,
die mechanisch und durch Fluidleitungen zusammen verbunden sind, welches
dann mit Gas unter Druck und mit Hydraulikfluid geladen wird. Das
Laden ist kritisch für
den erfolgreichen Betrieb des Systems, wobei der richtige Gasdruck
und die richtige Menge an Fluid erforderlich ist. Nach der anfänglichen
Beladung wird das Fluid mit Luft kontaminiert, welche aus dem System gereinigt
werden muß.
Vom Gesichtspunkt der Fahrzeugmontage her ist es erwünscht, daß das Energiespeichersystem
eine vollständig
einheitliche Anordnung ist, die vollständig geladen, gereinigt und
vor Einbau getestet worden ist, in genau der gleichen Weise wie
ein herkömmliches
Fahrzeuggetriebe. Das Energiespeichersystem erfordert dann lediglich
eine Verbindung zu den externen Steuervorrichtungen, ob elektrisch
oder mechanisch, um eine vollständig funktionierende
Einheit zu sein.
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27 zeigt
eine kompakte Speicheranordnung 251, wie sie in bezug auf 15 beschrieben worden
ist, die einen Ventilblock 252 eingebaut hat, wie er mit
Bezug auf 10 beschrieben worden ist. Ein Überzentrumstyp
einer P/M Einheit 253 ist direkt an der Anordnung angebracht,
mit allen Verbindungen innerhalb der Anordnung selbst. Die Anordnung ist
in einem Fahrzeug mit nachgiebigen Anbringungen angebracht, um die
Geräusch-
und Schwingungsübertragung
innerhalb der Anordnung zu minimieren. Die Antriebswelle 254 kann
mit dem Antriebszug mit einer universellen Gelenkwelle verbunden
sein, sei es an der Übertragung
oder an der Achse, abhängig
von der Gestaltung des Fahrzeugs. Die Einheits-Anordnung kann direkt
auf die Übertragung angebracht
werden und Teil der gesamten Maschine und Transmissionsanordnung
sein. Wenn das Fahrzeug einen chassisangebrachten Endantrieb aufweist,
mit universellen Wellen zu den Rädern,
kann die Einheitsanordnung direkt an dem Endantrieb angebracht sein.
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Die 28 zeigt
eine ähnliche
Anordnung mit einer Speicheranordnung 261 und einem Ventilblock 262 wie
oben beschrieben, und mit einer Nicht-Überzentrum P/M Einheit 263 als
Teil der Anordnung. Die Welle 264 kann mit dem Antriebszug wie
zuvor beschrieben verbunden sein. Ein Kühlsystem 265 und Filter 266 sind
ebenfalls als Teil der Einheitsanordnung gezeigt. Die 28 zeigt
den druckausgeglichenen Speicher direkt mit dem Ventilblock befestigt,
mit Filter und Kühler
direkt an dem Ventilblock befestigt. Sie zeigt ebenfalls die Pumpen/Motoreinheit
direkt an dem Ventilblock befestigt. Diese Anordnung kann, wie in 29 gezeigt,
mit der Pumpen/Motoreinheit direkt an dem Ventilblock an dem Zentrum
des vereinigten Speichersystems rekonfiguriert werden. Dies erlaubt
es dem vollständigen
System, mit Öl,
ausgelaufenem (bled) oder Luft befüllt zu werden und vor Einbau
in das Fahrzeug vorgetestet zu werden.
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Die 29 zeigt
eine solche weitere Ausführungsform,
bei der der Ventilblock 271 zwischen dem HP-Ende 272 der
Speicheranordnung und dem LP-Ende 273 angebracht ist, und
die P/M Einheit 274 an dem Ventilblock wie zuvor angebracht
ist.
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30 zeigt
die Hinzufügung
der Transferbox, die es dem System erlaubt, in den Antriebszug mit
eingebunden zu sein. Dieser Aufbau ist im allgemeinen für kommerzielle
Fahrzeuge wie Busse geeignet, bei der die Kardanwelle, welche den
Motor und das Getriebe mit der Achse verbindet, durch ein Transfergehäuse 281 unterbrochen
sein kann. Bei dieser Ausführungsform
enthält
die Einheitsanordnung das Transfergehäuse. Das Transfergehäuse kann
den Antrieb durch Getriebe, Übertragungsketten
oder Antriebsriemen übertragen.
Jeder der Wellen 282 oder 283 kann mit der Übertragung
verbunden sein, wobei die andere Welle dann mit der Achse verbunden
ist.
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Die 31 zeigt
eine Veränderung
des Aufbaus von 30, die für Fahrzeuge mit eingeschränkter Breite
zwischen den Chassisschienen besser geeignet ist. Die P/M Einheit 291 ist
an der Vorderseite angebracht, in Richtung des Fahrzeugmotors, und
im wesentlichen in Linie mit der Speicheranordnung. Die P/M Einheit 291 ist
an einem Transfergehäuse 292 mit
dessen nicht gezeigter nach hinten zeigender Welle angebracht. Das
LP-Ende 293 des
ausgeglichenen Speichers ist an der rückwärtigen Seite des Transfergehäuses angebracht,
dann die Zentralplatte 294 und das HP-Ende 295.
Leitungen 296 verbinden die Zentralplatte mit der P/M Einheit.
Jegliche erforderliche Steuerventile können entweder in der Zentralplatte
oder in dem Öffnungsblock
der Pumpe oder auf sie verteilt angebracht sein. Die Übertragungswelle 297 ist
mit dem Fahrzeugmotor mit einer herkömmlichen Antriebswelle verbunden.
Da die P/M Einheit zur Vorderseite angeordnet ist, gibt es genug
Länge für eine Welle mit
universellen Anschlüssen.
Die andere Welle 298 ist mit der hinteren Antriebsachse
des Fahrzeugs verbunden, indem eine weitere konventionelle Antriebswelle
verwendet wird. Die 31 stellt die Ausführungsform
mit einer Über-Zentrums P/M Einheit
dar. Eine nicht-Überzentrumsgestaltung,
wie die in 30, kann ebenfalls verwendet
werden. Obwohl der Einheitsaufbau in Verbindung mit einer besonderen
Gestaltung des kompakten Speichers beschrieben worden ist, können die
gleichen Prinzipien auf andere Speicheranordnungen angewendet werden.