DE102012008192A1

DE102012008192A1 - Hydraulikhybrid

Info

Publication number: DE102012008192A1
Application number: DE201210008192
Authority: DE
Inventors: Ralf Kochhan; Taghi Akbarian
Original assignee: Deutz AG
Current assignee: Deutz AG
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-10-31
Also published as: JP2015533201A; US20150113969A1; EP2841290A1; US10040343B2; WO2013159851A1; JP6346168B2

Abstract

Hybridsystem, bestehend aus einem Verbrennungsmotor (1) mit angebauten und/oder integrierten Hydraulikpumpen (2) zur Versorgung von Verbrauchern (5) und/oder Antriebseinheit (12), wenigstens einem Motorsteuergerät (3) zur elektronischen Motor- und/oder Einspritzregelung, wenigstens einem Hydrauliksteuergerät (4) zur Steuerung wenigstens eines hydraulischen Verbrauchers (5), wenigstens einem Druckhalteventil (6), wenigstens einem Umsteuerventil (7) und wenigstens einem hydraulischen Druckspeicher (8).

Description

Arbeitsmaschinen mit hydrostatischem Antrieb bestehen aus einem Verbrennungsmotor, mehreren Hydraulikpumpen, -leitungen, -ventilen, Steuerelementen, Motoren und Hydraulikzylindern.
Derartige Systeme sind z. B. bekannt aus DE 1020 09 824 B4 . Die überschüssige Energie wird in einer elektrischen Batterie gespeichert.
Daran ist nachteilig, dass man zur Nutzung der überschüssigen Energie Zusatzbatterien und weitere Elektromotoren benötigt, des Weiteren berücksichtigen diese Systeme lediglich die Hydraulikseite.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und ein Hybridsystem zu schaffen, dass effizient mit den vorhandenen eingesetzten Vorräten umgeht, insbesondere im Hinblick auf die Optimierung der Arbeitspunkte des Motors unter besonderer Berücksichtigung des Kraftstoffverbrauchs, des dynamischen Motorverhaltens, des Geräuschniveaus und des Verschleißes.
Die Aufgabe wird durch ein Hybridsystem nach Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst.
Zur Optimierung dieser Maschinen wird die überschüssige Energie bzw. Motorleistung in Schwachlastphasen des Verbrennungsmotors zur Abgabe bzw. Erhöhung der verfügbaren Systemleistung, in Phasen mit hohem oder überhöhtem Leistungsbedarf in Hydraulikspeichern gespeichert.
Die Optimierung besteht dabei darin, dass kurzzeitig im System mehr Leistung zur Verfügung steht, als der Verbrennungsmotor im aktuellen Arbeitspunkt liefern kann. Daher ist das System leistungsfähiger und das Verhalten bei Laständerungen dynamischer. Gleichzeitig kann durch Rückgewinnung von Bremsenergie die Bremsleistung des Systems bzw. des Motors erhöht werden und das Hochschleppen des Motors vermieden bzw. reduziert werden. Die auftretenden maximalen Drehzahlen am Verbrennungsmotor können dadurch deutlich reduziert werden. In Schwachlastphasen steht dann die freie Motorleistung für die Speicheraufladung zur Verfügung.
Erfindungsgemäß vorgesehen ist ein System zur Erfassung des Zustandes bzw. der Zustandswerte des Motors, der Hydraulik und der Geräte zum einen, und einem Teilsystem zur Motorleistungs-Bremswirkungsoptimierung mittels hydraulischem Energiespeicher, z. B. Druckspeicher in Form von Blasenspeichern oder Membranspeichern oder Kolbenspeichern, zum anderen.
Das System besteht aus einem Verbrennungsmotor mit angebauten oder integrierten Hydraulikpumpen für Arbeits- und/oder Fahrkreis, einem Motorsteuergerät zur elektronischen Motor- und Einspritzregelung, einem Hydrauliksteuergerät zur Steuerung der hydraulischen Verbraucher, hydraulische Steuermodule, Stellglieder und Ventile, einem Druckhalteventil, mindestens einem Umsteuerventil und mindestens einem hydraulischen Druckspeicher.
Das Motorsteuergerät erfasst motorspezifische Messwerte. Dazu gehören die Kühlmitteltemperatur, der Ladeluftdruck, das Lastmoment, die Einspritzmenge, die Drehzahl, der Raildruck, der Kraftstoffvordruck und der Drehzahlsollwert. Anhand dieser Messwerte werden im Steuergerät mit Hilfe von Parametern, Kennlinien und Kennfeldern Stellgrößen zur Motorregelung ermittelt. Der jeweilige Arbeitspunkt des Motors wird so ermittelt und eingestellt.
Im hier in 1 dargestellten System liegen dem Motorsteuergerät weitere Messwerte wie der Hydraulikdruck im Hydraulikspeicher, der Hydraulikdruck und Temperatur des Arbeitskreises, der Hydraulikdruck und Temperatur des Fahrantriebs sowie der Schwenkwinkel der Arbeits- und Fahrpumpe vor. Vom Hydrauliksteuergerät werden Informationen zum Zustand, wie z. B. der Arbeitspunkt, der jeweiligen Hydraulikkomponenten und zur angeforderten Last durch die Komponenten an das Motorsteuergerät geliefert.
Im Motorsteuergerät erfolgt die Regelung der Auf- und Entladeprozesse des Druckspeichers bedarfsgesteuert in Abhängigkeit der oben genannten Daten.
Das Aufladen (Loading, 2) des Speichers wird durch Öffnen des Ventils A im Arbeitskreis und/oder des Ventils B im Fahrkreis eingeleitet. Die Steuerung erfolgt in Abhängigkeit vom Verhältnis der Hydraulikdrucke P_Speise zu P_Speicher der Drehmomente M_verfügbar zu M_Ist und in Abhängigkeit der Motortemperatur T_K und der Hydrauliktemperatur T_Speise, wie dies in 2 dargestellt wird.
Sind die vorgegebenen Bedingungen erfüllt, prüft das Motorsteuergerät anhand von weiteren Kennwerten, ob ein Loading (2) sinnvoll ist.
Bremsenergierückgewinnung
Wird der Motor geschleppt, d. h. M_Ist ist negativ, dann steht die komplette Leistung des Motors zuzüglich der Bremsleistung zum Loading (2) zur Verfügung. Das Ventil A und/oder das Ventil B werden geöffnet, bis der Speicher geladen ist oder eine der Voraussetzungen nicht mehr erfüllt ist.
Ist die Motordrehzahl höher als die Solldrehzahl, d. h. n_soll < n_ist, dann steht die komplette verfügbare Leistung (M_verfügbar – M_Ist) zum Loading (2) zur Verfügung. Das Ventil A und/oder das Ventil B werden geöffnet, bis der Speicher geladen ist, oder eine der Voraussetzungen nicht mehr erfüllt ist.
Befindet sich der Motor im Leerlauf und die Kühlmitteltemperatur oberhalb einer Mindesttemperatur n_Ist = n_Leer und T_K > T_min, dann steht die komplette verfügbare Leistung (M_verfügbar – M_Ist) zum Loading (2) zur Verfügung, Ventil A und/oder Ventil B werden geöffnet, bis der Speicher geladen ist oder eine der Voraussetzungen nicht mehr erfüllt ist.
Befindet sich der Motor in einer Schwachlastphase und das verfügbare Drehmoment ist bedeutend höher als M_Ist, so erfolgt das Loading (2).
Zusätzlich kann das Loading (2) durch das Motorsteuergerät aktiviert oder deaktiviert werden, wenn der Motor sich in einem ungünstigen Betriebspunkt, z. B. im Hinblick auf die Kraftstoffverbrauchseffizienz, das Emissionsverhalten, den Ladedruck, das Geräuschniveau sowie die Messwerte und Informationen des Hydrauliksteuergerätes befindet und durch Umschalten der Funktion ein geeigneterer Betriebspunkt erreicht werden kann.
Alternativ kann das Loading (2) über ein Regelventil auch stufenlos geregelt werden, um ein sanfteres Ein-/Ausschalten der Motorbelastung zu realisieren.
Das Entladen (Boost, 3) des Speichers wird durch Öffnen des Ventils A im Arbeitskreis und/oder des Ventils B im Fahrkreis eingeleitet. Die Steuerung erfolgt in Abhängigkeit vom Verhältnis der Hydraulikdrücke P_Speise zu P_Speicher der Drehmomente M_verfügbar zu M_Ist und in Abhängigkeit der Motortemperatur T_K und der Hydrauliktemperatur T_Speise.
Sind die vorgegebenen Bedingungen erfüllt, prüft das Motorsteuergerät anhand von weiteren Kennwerten, ob ein Boosten (3) sinnvoll ist.
Kann der Motor im aktuellen Arbeitspunkt keine weitere Leistung abgeben, d. h. M_verfügbar = f·M_Ist (f = Sicherheitsfaktor, z. B. 0,9), so wird Ventil A und/oder Ventil B geöffnet, bis der Speicher entladen ist, oder eine der Voraussetzungen nicht mehr erfüllt ist.
Befindet sich der Motor in der Rauch- oder einer anderen Leistungsbegrenzung, d. h. M_verfügbar = f·M_Ist (f = Sicherheitsfaktor, z. B. 0,9), so wird Ventil A und/oder Ventil B geöffnet, bis der Speicher entladen ist, oder eine der Voraussetzungen nicht mehr erfüllt ist.
Wird der Motor (1) stark beschleunigt, d. h. n_Gradient > N (einstellbarer Faktor Drehzahlgradient), so wird Ventil A und/oder Ventil B geöffnet, bis der Speicher entladen ist, oder eine der Voraussetzungen nicht mehr erfüllt ist.
Bei hohem Druckabfall des Speisedruckes durch schnelles Lastzuschalten im Hydraulikarbeitskreis, d. h. P_Gradient > P (einstellbarer Faktor Speisedruckgradient), so wird Ventil A und/oder Ventil B geöffnet, bis der Speicher entladen ist, oder eine der Voraussetzungen nicht mehr erfüllt ist.
Zusätzlich kann das Boosten (3) durch das Motorsteuergerät aktiviert/deaktiviert werden, wenn der Motor sich in einem ungünstigen Betriebspunkt (z. B. im Hinblick auf folgende Parameter wie Kraftstoffverbrauchseffizienz, Emissionsverhalten, Ladedruck-, Geräuschniveau, Messwerte und Informationen des Hydrauliksteuergerätes) befindet und durch Umschalten der Funktion ein geeigneterer Betriebspunkt erreicht werden kann.
Die Reduzierung der Arbeitsdrehzahl zur optimalen Kraftstoffverbrauchsoptimierung wird beispielsweise in 4 dargestellt.
Bei hohen dynamischen Anforderungen sind Motordrehzahlen im Bereich von etwa 1800–2300 1/min nahe dem Motorleistungsmaximum nötig, um ausreichend Drehmomentreserven bei den unweigerlich auftretenden Drehzahleihbrüchen zur Verfügung zu haben, ein Ansteigen der Drehmomentkurve bei sinkenden Drehzahlen in diesem Bereich der Drehzahl ist die Folge. Zudem müssen aufwendige Grenzlastregelungen vorgesehen werden, die ein Abwürgen des Verbrennungsmotors verhindern.
Wird die Arbeitsdrehzahl in den Bereich des Nennmomentes des Motors von etwa 1400–1600 1/min reduziert, so können die plötzlich auftretenden dynamischen Lastspitzen durch Boosten (4) optimal aufgefangen werden.
Die Reduzierung der Arbeitsdrehzahl zur Geräuschreduzierung wird in 4 dargestellt.
Bei hohen dynamischen Anforderungen sind Motordrehzahlen im Bereich von etwa 1800–2300 1/min nahe Motorleistungsmaximum nötig, um ausreichend Drehmomentreserven bei den unweigerlich auftretenden Drehzahleinbrüchen zur Verfügung zu haben, ein Ansteigen der Drehmomentkurve bei sinkenden Drehzahlen in diesem Drehzahlbereich ist die Folge. Zudem müssen aufwendige Grenzlastregelungen vorgesehen werden, die ein Abwürgen des Verbrennungsmotors verhindern.
Wird die Arbeitsdrehzahl in den Bereich des Nennmomentes des Motors von etwa 1400–1600 1/min reduziert, so können die plötzlich auftretenden dynamischen Lastspitzen durch Boosten (4) aufgefangen werden.
Die Erhöhung des Ladedrucks wird in 6 dargestellt. Um das dynamische Verhalten des Motors zu verbessern, kann in Phasen mit sehr niedrigem Drehmomentniveau die Loading-Funktion (6) aktiviert werden, um das abgegebene Drehmoment und damit den Ladedruck zu erhöhen. Dies erfolgt typischerweise kurz bevor eine große Drehmomentanforderung durch die Hydraulik gefordert wird. Durch die damit verbundene Erhöhung des Ladedruckes spricht der Turbolader beim Aufschalten der Hydrauliklast deutlich besser an.
Zur Entlastung des Motors kann zudem die Boost-Funktion (1, 5) aktiviert und gleichzeitig das Umsteuerventil 7 geöffnet werden. Dann wirkt die Hydraulikpumpe 2 als Motor und kann das dynamische Verhalten des Gesamtsystems deutlich verbessern, indem sie über die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 1 oder dessen Zahnkranz am Schwungrad die gespeicherte Energie aus dem Hydraulikspeicher 8 in den Verbrennungsmotor 1 einleitet.
In einer alternativen Ausgestaltung kann das Boosten über ein Regelventil auch stufenlos geregelt werden, um ein sanfteres Ein-/Ausschalten der Motorbelastung zu realisieren.
Eine Starterunterstützung (Starting) kann ebenfalls über die im Hydraulikspeicher 8 gespeicherte Energie mittels der Hydraulikpumpe 2 erfolgen.
Das Entladen des Speichers wird durch Öffnen des Ventils A im Arbeitskreis und/oder des Ventils B im Fahrkreis eingeleitet.
Die Steuerung erfolgt in Abhängigkeit vom Verhältnis der Hydraulikdrücke P_Speise zu P_Speicher, der Drehmomente M_verfügbar zu M_Ist und in Abhängigkeit der Motortemperatur T_K und der Hydrauliktemperatur T_Speise.
Ist die Motordrehzahl gleich Null, wird Ventil A und/oder B sowie das Umsteuerventil betätigt und die Hydraulikpumpe als Startermotor für den Verbrennungsmotor genutzt.
Bei Anwendungen mit hoher Grundlast kann die Energie aus dem Speicher (8) in gleicher Form zugeführt werden, um den Starter beim Hochdrehen des Verbrennungsmotors zu unterstützen, solange die Verbrennungsmotordrehzahl kleiner als die Leerlaufdrehzahl ist (n_Ist < n_Leer).
Die Starting-Unterstützung kann eine automatische Start-/Stop-Funktion übernehmen.
Läuft der Motor für eine parametrierbare Zeit t im Leerlauf, so wird der Motor daran anschließend automatisch gestoppt. Ist die Motordrehzahl gleich Null und tritt der Fahrer/Bediener des Gerätes aufs Gaspedal, wird automatisch Ventil A und/oder Ventil B sowie das Umsteuerventil 7 betätigt und die Hydraulikpumpe als Startermotor für den Verbrennungsmotor 1 genutzt. Dies führt zu hohen Einspareffekten beim Kraftstoffverbrauch. Zudem geschieht der Start des Motors 1, ohne den Elektrostarter des Motors zu belasten. Die Anzahl der Lade-/Entladezyklen des Hydraulikspeichers in der Lebenszeit ist in der Regel höher als die Anzahl der möglichen Startvorgänge beim Elektrostarter.
Den Motor schneller auf Betriebstemperatur bringen
Bei kalten Umgebungstemperaturen und sehr geringer Motorauslastung erwärmt sich der Verbrennungsmotor nur sehr langsam bis auf die eigentliche Betriebstemperatur. In dieser Kaltphase ist der Verschleiß des Motors hoch und der Kraftstoffverbrauch nicht optimal. Durch mehrmaliges Laden/Entladen des Hydraulikspeichers können dynamische Belastungen erzeugt werden, die den Motor schneller auf Betriebstemperatur bringen.
Durch Anwendung der oben genannten Funktionalitäten lässt sich die Performance der Arbeitsmaschine vorteilhaft erhöhen, der Kraftstoffverbrauch und der Verschleiß des Motors werden reduziert und die Motorauslastung wird optimiert. Durch die temporäre Mehrleistung kann Downsizing betrieben werden, was so viel bedeutet wie, es kann ein Motor mit weniger Hubraum eingesetzt werden, was energetisch günstiger ist.
Das Anwendungsprinzip lässt sich bei allen Systemen mit Verbrennungs- oder Gasmotor in Verbindung mit hydraulischen Verbrauchern und hydrostatischen Antrieben verwenden.
Abkürzungen

P_Speise

= Druck im Hydraulikspeisekreis

P_Speicher

= Druck im Hydraulikspeicher

T_Speise

= Temperatur im Hydraulikspeisekreis

T_max

= maximal zulässige Temperatur im Hydraulikspeicher

T_min

= minimal zulässige Temperatur im Hydraulikspeicher

n_Ist

= aktuelle Drehzahl des Verbrennungsmotors

n_soll

= aktuelle Solldrehzahl des Verbrennungsmotors

n_Leer

= Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors

M_verfügbar

= aktuell verfügbares maximales Drehmoment des Verbrennungsmotors

M_Ist

= aktuell abgegebenes Moment des Verbrennungsmotors

T_K

= Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors

T_max

= maximal zulässige Kühlmitteltemperatur für Funktion

T_min

= minimal zulässige Kühlmitteltemperatur für Funktion

n_Gradient

= Drehzahlgradient

P_Gradient

= Gradient Speisedruck

Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Hydraulikpumpe
3: Verbraucher
4: Hydrauliksteuergerät
5: Verbraucher
6: Druckhalteventil
7: Umsteuerventil
8: Druckspeicher
9: Steuermodul
10: Stellglied
11: Ventil
12: Antriebseinheit
13: Temperatursensor
14: Drucksensor
15: Drucksensor
16: Drucksensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009824 B4 [0002]

Claims

Hybridsystem, bestehend aus einem Verbrennungsmotor (1) mit angebauten und/oder integrierten Hydraulikpumpen (2) zur Versorgung von Verbrauchern (5) und/oder Antriebseinheit (12), wenigstens einem Motorsteuergerät (3) zur elektronischen Motor- und/oder Einspritzregelung, wenigstens einem Hydrauliksteuergerät (4) zur Steuerung wenigstens eines hydraulischen Verbrauchers (5), wenigstens einem Druckhalteventil (6), wenigstens einem Umsteuerventil (7) und wenigstens einem hydraulischen Druckspeicher (8).
Hybridsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Verbraucher 5 mittels Steuermodul (9) ansteuerbar ist.
Hybridsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (12) mittels Stellglied (10) kommunizierbar ausgeführt ist.
Hybridsystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (10) mittels Hydrauliksteuergerät (4) kommunizierbar ausgeführt ist.
Hybridsystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikspeicher (8) wenigstens einen Drucksensor (14) aufweist.
Hybridsystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Steuermodul (9) und Umsteuerventil (7) ein Drucksensor angeordnet ist.
Hybridsystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Stellglied (10) und Hydraulikpumpe (2) ein Drucksensor (16) angeordnet ist.
Hybridsystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (13), der Drucksensor (14), der Drucksensor (15) und der Drucksensor (16) mit dem Motorsteuergerät (3) kommunizierbar angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben eines Hybridsystems, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hydrauliksystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche zum Einsatz kommt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor- und Maschinenzustand ständig anhand der genannten Sensoren überwacht und das Auf- und Entladen des hydraulischen Speichers zur Optimierung der Motor-/Maschinendynamik und/oder des Lastverhaltens gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor- und Maschinenzustand ständig anhand der genannten Sensoren überwacht und das Auf- und Entladen des hydraulischen Speichers zur Optimierung der Motor-/Maschinendynamik und/oder des Lastverhaltens unter Beachtung des Emissionsverhaltens des Motors gesteuert wird.