Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Energierückgewinnungssystem mit den Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 1.
Im Hinblick auf die Verknappung der Ressourcen und die zunehmende CO2-Belastung der Umwelt kommen z.B. in der Fahrzeugtechnik zunehmend hybride Antriebssysteme zur Anwendung. Bei derzeitig im Einsatz befindlichen Systemen handelt es sich zumeist um elektromotorische Hybride, bei denen bei Bremsvorgängen gewonnene elektrische Energie gespeichert wird und aus der gespeicherten Energie Antriebsenergie wieder umgewandelt wird, um das Fahrzeug im Fahrbetrieb und insbesondere bei Beschleunigungsvorgängen zu unterstützen. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, für vergleichbare Fahrleistungen die Antriebsleistung des als Primärantrieb dienenden Verbrennungsmotors herabzusetzen. Ein derartiges "down sizing" führt nicht nur zu einer Verbrauchssenkung, sondern eröffnet auch die Möglichkeit, betreffende Fahrzeuge einer einer niedrigeren Leistungsklasse entsprechenden, günstigeren Schadstoffklasse zuzuordnen. Ein großer Nachteil elektromotorischer Hybride ist aber der Energieverlust, der sich durch die Umwandlungsschritte von mechanischer Energie in elektrische Energie und zurück ergibt. Der Energieverlust kann bis zu 66 % betragen.
Wegen der hohen Energiedichte und des kompakten Aufbaus hydraulischer Systeme lassen sich diese Ziele auch durch ein hydraulisches Hybridsystem erreichen. Um zusätzliches Antriebsdrehmoment auch bei niedrigen Drehzahlen und von der Null-Drehzahl ausgehend für Beschleunigungsvorgänge zur Verfügung zu stellen und um bei Bremsvorgängen die Bremswirkung zu unterstützen, wird hierbei hydraulische Energie in einen Hydrospeicher mittels einer Motor-Pumpen-Einheit gespeichert, um bei Bedarf den Motorbetrieb der Motor-Pumpen-Einheit zur Rückumwandlung zu nutzen. Ein derartiges hydrostatisches Antriebssystem mit Rückgewinnung von Bremsenergie wurde von der Anmelderin bereits in der
Es hat sich aber gezeigt, dass aufgrund der geringeren Verlustleistung im hydraulischen System im Vergleich zu elektromotorischen Hybriden sehr viel überschüssige Energie in den Hydrospeichern gespeichert wird. Es besteht daher die Forderung seitens der Anwender, diese überschüssige Energie auch für andere Zwecke nutzbar zu machen.
Die
Der Erfindung liegt daher, ausgehend vom aufgezeigten Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes hydraulisches Energierückgewinnungssystem aufzuzeigen, bei welchem die gespeicherte Energie auf vielfache Weise verwendbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein hydraulisches Energierückgewinnungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Energierückgewinnungssystems gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Versorgungspumpe eine Load-Sensing-Pumpe ist, die von der Arbeitshydraulik ansteuerbar ist. Auf diese Weise wird der erforderliche Steueraufwand für die Versorgungspumpe minimiert. Abhängig von der an der Arbeitshydraulik nachgefragten Last wird somit die Versorgungspumpe geregelt, um stets eine ausreichende Versorgung der nachgeschalteten Einheiten mit Energie zu gewährleisten.
Das erfindungsgemäße hydraulische Energierückgewinnungssystem weist eine von einer Antriebseinheit betätigbare Abtriebseinheit, insbesondere eine Welle, auf, durch welche eine hydraulische Motor-Pumpen-Einheit antreibbar ist. Die Motor-Pumpen-Einheit versorgt in mindestens einer Einspeisestellung eine Energie-Speichereinrichtung und/oder eine Arbeitshydraulik mit Fluid. Darüber hinaus gibt die Motor-Pumpen-Einheit in einer so genannten Rekuperations- oder Energierückgewinnungsstellung unter Druck stehendes Fluid aus der Energie-Speichereinrichtung zumindest an eine Arbeitshydraulik ab und/oder verwendet es zur Betätigung der Abtriebseinheit.
Auf diese Weise kann beispielsweise Bremsenergie der Abtriebseinheit, beispielsweise von der Antriebseinheit in Form eines Motors kommend, in der Energie-Speichereinrichtung gespeichert werden. Dabei kann bereits die Abtriebseinheit durch das hydraulische Energierückgewinnungssystem vorteilhaft abgebremst oder verzögert werden. Die in der Energie-Speichereinrichtung gespeicherte Energie kann dann in an sich bekannter Weise verwendet werden, um sie wieder an die Abtriebseinheit zurück zu geben. Erfindungsgemäß kann die in der Energie-Speichereinrichtung gespeicherte Energie in Form eines unter Druck stehenden Fluids aber auch dazu benutzt werden, um beispielsweise eine Arbeitshydraulik zu versorgen.
Während der Betriebsdauer von Motoren ergeben sich oftmals auch Perioden, in denen die verfügbare Leistung des Motors nicht vollständig benötigt wird. In diesen Situationen ist es wünschenswert, die Energie in einem Speicher zwischenzuspeichern. Auf diese Weise kann ein Motor vorteilhaft auf einem annähernd gleichbleibenden Drehzahl- und/oder Belastungsniveau betrieben werden. Die zwischengespeicherte Energie kann dazu zu Zeiten von Lastspitzen wieder aus der Energie-Speichereinrichtung abgerufen werden. Dies ist auch hinsichtlich der Auslegung des Motors relevant, weil dieser lediglich zur Erbringung einer Durchschnittsleistung und nicht auf einen Spitzenleistungsbedarf hin ausgelegt werden muss.
Die besonderen Vorteile des Systems liegen in der Einfachheit der Konstruktion und in der Universalität der Verwendbarkeit der gespeicherten Energie. Es gibt nur geringe Druckverluste im hydraulischen System, da die Anzahl der Ventile gegenüber vergleichbaren, im Stand der Technik bekannten Systemen minimiert ist. Damit ist der Wirkungsgrad des Systems sehr hoch.
Die in der Energie-Speichereinrichtung zwischengespeicherte Energie kann, wie bereits dargelegt, zur Versorgung der Arbeitshydraulik verwendet werden. Dadurch kann die Pumpe für die Arbeitshydraulik kleiner dimensioniert werden und es ergibt sich ein geringerer Fluidfluss über den Tank, so dass dieser auch kleiner ausfallen kann.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Energierückgewinnungssystems ist, dass es selbst größten Druckunterschieden standhält und diese in der Energie-Speichereinrichtung zwischen zu speichern vermag.
Darüber hinaus kann in der Energie-Speichereinrichtung Energie aus der Arbeitshydraulik oder direkt von einer Versorgungspumpe kommend gespeichert werden.
Weiterhin arbeitet das System als Hydrotransformator, durch welchen die unterschiedlichen Drücke in der Energie-Speichereinrichtung und in der Arbeitshydraulik in entsprechende Volumenströme eines Fluids transformiert werden.
Von der Abtriebseinheit ist eine hydraulische Versorgungspumpe parallel zur Motor-Pumpen-Einheit antreibbar, wobei die Versorgungspumpe auf ihrer Ausgangsseite die Arbeitshydraulik versorgt und über diese Ausgangsseite an einen Versorgungsanschluss der Motor-Pumpen-Einheit angeschlossen ist. Durch die hydraulische Versorgungspumpe kann vorteilhaft die Grundversorgung der Arbeitshydraulik mit Hydraulikfluid sichergestellt werden. Darüber hinaus kann durch die Versorgungspumpe der Motor-Pumpen-Einheit zusätzliches Fluid zugeführt werden, so dass etwaige Abgangs- oder Leckageverluste wieder ausgeglichen werden können.
Das Energierückgewinnungssystem ist vorteilhaft dahingehend optimiert, dass bei einem größeren Fördervolumen der Versorgungspumpe gegenüber einem Schluckvolumen der Motor-Pumpen-Einheit der höhere Ausgangsdruck von Versorgungspumpe oder Motor-Pumpen-Einheit an der Arbeitshydraulik ansteht. Auch diese Maßnahme dient dazu, immer eine ausreichende Versorgung mit Fluid bei einem hohen Druck sicherzustellen.
Auf besonders zweckmäßige Weise wird ein Hydrotransformator durch die Motor-Pumpen-Einheit und die Versorgungspumpe gebildet, so dass mehr Energie in die Energie-Speichereinrichtung im Vergleich zur Einspeisung allein durch die Motor-Pumpen-Einheit einspeicherbar ist. Hierbei steigert oder "boostet" die Versorgungspumpe die Leistung der Motor-Pumpen-Einheit. Mit anderen Worten stellt sie Fluid bei einem höheren Druck als dem atmosphärischen Tankdruck zur Verfügung, so dass die Motor-Pumpen-Einheit mehr Fluid bei einem höheren Druck in die Energie-Speichereinrichtung pumpen kann.
Eine Versorgungsleitung von der Motor-Pumpen-Einheit kann in eine Druckleitung von der Versorgungspumpe zur Arbeitshydraulik münden, wobei in diese Versorgungsleitung ein Prioritätsventil geschaltet ist, welches vorzugsweise als 2/2-Wege-Schaltventil ausgebildet ist. Das Prioritätsventil kann auch in Form eines hydraulischen Stromteilers in der Druckleitung ausgebildet sein. Ein solcher hydraulischer Stromteiler kann vorteilhaft unabhängig von den an ihm jeweils anstehenden Differenzdrücken einen zugeführten Fluidvolumenstrom in konstante, gleiche Teilmengen aufteilen und den nachgeschalteten Verbrauchern zuleiten. Abhängig von der Schaltung des Prioritätsventils kann deshalb die Energie von der Versorgungspumpe auch vollständig in die Arbeitshydraulik eingespeist werden. Ein in einer Sperrstellung wirkendes Rückschlagventil im Prioritätsventil sorgt dafür, dass lediglich Energie aus der Energie-Speichereinrichtung bzw. von der Motor-Pumpen-Einheit kommend in die Arbeitshydraulik eingespeist wird, nicht aber Fluid von der Versorgungspumpe in Richtung Motor-Pumpen-Einheit gefördert werden kann. Auf diese Weise unterstützt die Motor-Pumpeneinheit gegebenenfalls die Förderleistung der Versorgungspumpe.
Ein Drucksensor kann an die Druckleitung zwecks Druckwerterfassung für eine zentrale Steuereinheit (Central Processing Unit, CPU) angeschlossen sein. Auf diese Weise kann das System optimal gesteuert werden und insbesondere können schädliche Überdrücke im System durch entsprechende Nachregelung der übrigen Komponenten vermieden werden.
Zweckmäßigerweise bilden die Motor-Pumpen-Einheit, die Energie-Speichereinrichtung und die Versorgungsleitungen einen hydraulischen Nebenzweig. Ein solcher hydraulischer Nebenzweig wird in Fachkreisen auch als "Closed Loop System" bezeichnet. Dieser Nebenzweig kann beispielsweise als Pumpe zur Versorgung der Arbeitshydraulik und etwaiger weiterer angeschlossener hydraulischer Verbraucher dienen und die Energie hierfür von der Abtriebseinheit und/oder aus der Energie-Speichereinrichtung entnehmen. Alternativ oder zusätzlich kann der Nebenzweig als Motor, z.B. zur Betätigung der Antriebseinrichtung, der Versorgungspumpe und/oder weiterer angeschlossener Aggregate herangezogen werden.
Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die Motor-Pumpen-Einheit einen 4-Quadranten-Betrieb ermöglicht und vorzugsweise elektrisch von der zentralen Steuereinheit (CPU) ansteuerbar ist. Durch den 4-Quadranten-Betrieb kann individuell und richtungsunabhängig Energie umgewandelt werden. Beispielsweise wird kinetische Energie von der Abtriebseinheit kommend in hydraulische Energie umgesetzt oder hydraulische Energie in kinetische Energie umgewandelt. Damit leistet der 4-Quadranten-Betrieb einen wesentlichen Beitrag zur universellen Einsetzbarkeit des Energierückgewinnungsystems.
Zweckmäßigerweise ist ein Druckhalteventil in die Versorgungsleitung von der Motor-Pumpen-Einheit zur Energie-Speichereinrichtung geschaltet, welches vorzugsweise als 2/2-Wege-Schaltventil ausgebildet ist. Durch das Druckhalteventil kann ein in der Energie-Speichereinrichtung aufgebautes Druckniveau solange gehalten werden, bis es wieder benötigt wird.
Weiterhin kann ein Drucksensor an die Versorgungsleitung zwischen dem Druckhalteventil und der Energie-Speichereinrichtung zwecks Druckwerterfassung für die zentrale Steuereinheit (CPU) angeschlossen sein.
Die Energie-Speichereinrichtung ist zumindest durch einen Hydrospeicher, vorzugsweise in Form eines Blasen- oder Kolbenspeichers, gebildet.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von zwei in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Die in der
In
Die Motor-Pumpen-Einheit 104, 204 ist in einem 4-Quadranten-Betrieb in mehreren Stellungen abhängig vom Schwenkwinkel betreibbar. Der Schwenkwinkel wird dabei von einer zentralen Steuereinheit (CPU) 205 elektrisch eingestellt, vgl.
Die Energie-Speichereinrichtung 106, 206 ist hierbei durch einen Hydrospeicher in Form eines Blasenspeichers gebildet. Der Hydrospeicher 106, 206 ist über eine Versorgungsleitung 108, 208 an die Motor-Pumpen-Einheit 104, 204 angeschlossen. Die Arbeitshydraulik 107, 207 ist wiederum über eine gegenüberliegende Versorgungsleitung 109, 209 an die Motor-Pumpen-Einheit 104, 204 angeschlossen. Die Arbeitshydraulik 107, 207 kann ein beliebiger hydraulischer Verbraucher sein.
In der erweiterten Ausführungsform gemäß
Die von der Motor-Pumpen-Einheit 204 kommende Versorgungsleitung 209 mündet in die Druckleitung 212 zwischen der Versorgungspumpe 210 und der Arbeitshydraulik 207. Auf diese Weise kann die Arbeitshydraulik 207 von der Versorgungspumpe 210 und der Motor-Pumpen-Einheit 204 mit Fluid versorgt werden. Die beiden Einheiten 204, 210 sind so geschaltet, dass bei einem größeren Schwenkwinkel der Versorgungspumpe 210 gegenüber einem Schwenkwinkel der Motor-Pumpen-Einheit 204 der höhere Ausgangsdruck von Versorgungspumpe 210 oder Motor-Pumpen-Einheit 204 an der Arbeitshydraulik 207 ansteht. Dies gewährleistet ein stets hohes Niveau des zur Verfügung stehenden Fluiddrucks an der Arbeitshydraulik 207.
Die Versorgungspumpe 210 und die Motor-Pumpen-Einheit 204 sind zu einem Hydrotransformator 217 zusammengeschaltet. Das aus dem Tank 214 geförderte Fluid wird von der Versorgungspumpe 210 mit einem hohen Druck zur Motor-Pumpen-Einheit 204 gefördert, die den Fluiddruck nochmals erhöht. Das Fluid wird dann über die Versorgungsleitung 208 in die Energie-Speichereinrichtung 206 eingespeist. Auf diese Weise kann in der Energie-Speichereinrichtung 206 ein höheres Druckniveau erzeugt werden. Diesen Vorgang nennt man auch "Boosten" des Fluiddrucks.
Um einen Druckabfall an der Arbeitshydraulik 207 aufgrund eines Abflusses in Richtung zur Motor-Pumpen-Einheit 204 zu vermeiden, ist ein Prioritätsventil 218 in der Versorgungsleitung 209 zwischen Motor-Pumpen-Einheit 204 und Druckleitung 212 vorgesehen. Dieses Ventil 218 hat zwei Schaltstellungen und ist dementsprechend als 2/2-Wege-Schaltventil ausgebildet. In einer Schaltstellung weist das Prioritätsventil 218 ein Rückschlagventil 219 auf, welches in Richtung auf die Motor-Pumpen-Einheit 204 sperrt. Auf diese Weise kann vorgegeben werden, dass das Fluid der Versorgungspumpe 210 vollständig zur Arbeitshydraulik 207 weitergeleitet wird.
Um das Druckniveau in der Druckleitung 212 zu überwachen, kann weiterhin ein Drucksensor 220 in der Druckleitung 212 vorgesehen sein. Der Drucksensor 220 ist mit der zentralen Steuereinheit 205 gekoppelt.
Die Motor-Pumpen-Einheit 204, die Energie-Speichereinrichtung 206 und die Versorgungsleitungen 208, 209 bilden einen hydraulischen Nebenzweig 221, der auch als "Closed Loop System" bezeichnet wird. Der Nebenzweig 221 fungiert abhängig vom relativen Druck in der Arbeitshydraulik 207 zu der Energie-Speichereinrichtung 206 als Pumpe für die Versorgung der Arbeitshydraulik 207 und etwaiger zusätzlicher angeschlossener hydraulischer Verbraucher. Dazu verwendet er Energie, die von der Abtriebseinheit 203 oder der Energie-Speichereinrichtung 206 stammt. Abhängig vom relativen Druck zwischen der Arbeitshydraulik 207 und der Energie-Speichereinrichtung 206 agiert der Nebenzweig 221 als Motor zur Unterstützung der Antriebseinrichtung 202, der Versorgungspumpe 210 und gegebenenfalls weiterer angeschlossener Aggregate.
Ein Druckhalteventil 222 in der Versorgungsleitung 208 zwischen der Motor-Pumpen-Einheit 204 und der Energie-Speichereinrichtung 206 ist vom Aufbau gleich dem Prioritätsventil 218. In einer Schaltstellung weist das Druckhalteventil 222 ein Rückschlagventil 223 auf, welches in Richtung der Energie-Speichereinrichtung 206 öffnet. Das Druckhalteventil 222 ist als 2/2-Wege-Schaltventil ausgebildet. Zur Überwachung des Drucks in der Energie-Speichereinrichtung 206 ist ein Drucksensor 224 an die Versorgungsleitung 208 zwischen dem Druckhalteventil 222 und der Energie-Speichereinrichtung 206 zwecks Druckwerterfassung für die zentrale Steuereinheit (CPU) 205 angeschlossen.
Mithin sind die Motor-Pumpen-Einheit 204, das Prioritätsventil 218, das Druckhalteventil 222 und die Drucksensoren 220, 224 in der Druckleitung 212 und in der Versorgungsleitung 208 an die zentrale Steuereinheit (CPU) 205 angeschlossen.
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