DE2153960A1 - Antrieb fuer kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

• Antrieb für Kraftfahrzeuge Die Erfindung betrifft einen Antrieb für Kraftfahrzeuge, insbesondere stufenlosen hydrostatischen Antrieb mit Leistungsverzweigung, bei dem wenigstens eine Antriebsquelle einen Hauptantrieb in den Be- -schleunigungsphasen unterstützt, wobei Energie aus einem Speicher, der im Normalbetrieb, Stillstand oder beim Bremsen durch Rückgewinnung der Energie wieder aufgelanden wird, verwendet wird.
• Bekanntlich stammen die schädlichen Emissionsprodukte eines Yerbrennungsmotors - und nur solche werden derzeit zum Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendet -, wie sie unter anderem durch den Kalifornia-Test nachgewiesen werden, vorwiegend aus zwei Quellen: 1. aus kritischen Bereichen des Hotor-Kennfeldes, 2. aus instationären Betriebszuständen.
• Es ist deshalb ein dringendes Problem, der weiteren Verunreinigung der Luft, besonders durch Kraftfahrzeugantriebe, Einhalt zu gebieten. Hierzu wurde durch eine Veröffentlichung in der Zeitschrift "KFZ-Betrieb und Automarkt" Nr. 18 vom 28. 8. 1969 ein Hybridantrieb für einen Stadtwagen von der Technischen Universität Berlin bekannt, bei dem ein Elektromotor und ein Hydraulikmotor in Reihe geschaltet sind. Beiden Motoren sind Speicher zugeordnet, wobei dem Hydraulikmotor ein Hoch-und Niederdruckspeicher, dem Elektromotor elektrochemische Speicher (E-Speicher) zugeordnet sind.
• Der Hydraulikmotor kann hierbei einmal als Motor (beim Beschleunigen aus dem Speicheigespei4) oder als Pumpe (beim Bremsen den Speicher aufladend) arbeiten. Dabei wird der Hydraulikmotor als Besohleunigungsmotor verwendet, während der Elektromotor für die normale Fahrt gedacht ist.
• Nachteilig an diesem Antrieb ist das hohe Gewicht des Elektromotors und besonders der X-Speicher. Durch die geringe Energiespeicherkapazität ist die Reichweite sehr gering und kann für Überlandfahrten nicht befriedigen.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile, insbesondere das hohe Gewicht der elektrischen Energiespeicher und die schlechten Fahrleistungen des Fahrzeuges zu beseitigen.
• Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß an einem Verzweigungsgetriebe der Hauptantrieb, eine Abtriebswelle und eine regelbare Hilesmaschine und an der Abtriebswelle eine andere regelbare Hilfsmaschine angeordnet sind, und daß beide Hilfsmaschinen, die sowohl als Kraftals auch als Arbeitsmaschinen arbeiten können, an wenigsten einen Energiespeicher angeschlossen sind. Als Hauptantrieb ist eine Brennkraftmaschine vorgesehen' deren Drosselklappe vom Potential des Energiespeichere geregelt ist.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die llilfsiaschinen vom Potential des Energiespeichers geregelt. Die Hilfsmaschinen sind hierbei zweckaäßigerweise als Hydromaschinen ausgebildet.
• Durch die aufgezeigte Ausbildung eines Antriebes für Kraftfahrzeuge, in der Fachwelt auch als Ifybridantrieb bezeichnet, wird erreicht, daß die Brennkraftmaschine unter Vermeidung emission reicher Betriebsbereiche in einem genau definierten Kennlinienband oder -schneise im Motorenkennfeld läuft. Das wird durch das stufenlose Arbeiten der Hydromaschinen (hydrostatisches Getriebe) möglich. Ferner wird eine Milderung bzw.
• Vermeidung von instationären Betriebe zuständen an der Brennkraftmaschine, hervorgerufen insbesondere durch rasches Gasgeben des Fahrers, erreicht. Die Drosselklappe der Brennkraftmaschine ist also weitgehendst phlegmatisiert bzw. autoniatisiert, so daß der Fahrer mit seiner bedingten Willkür im wesentlichen an der Sekundärseite des Antriebes angreifen muß.
• Die Emission pro Fahrtstrecke (g/M) der Brennkraftaaschine wird weiter durch die geringe Einschaltdauer umso mehr reduziert, jemehr Fahrenergie beim Verzögern zurückgewonnen und abgespeichert werden kann. Die Abspeicherung von Energie ißt natürlich eine Frage der Größe der verwendeten Speicher.
• Das gilt insbesondere für den hohen Anteil an Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen im Stadtverkehr und für den sogenannten Kalifornia-Test (7-Cyklen-Test).
• Aber schon mit mäßigen Speichergrößen ist es möglich, eine gewisse Phlegmatisierung der Drosselklappe zu erreichen, ohne daß gleichzeitig die spontane Reaktion des Fahrzeuges auf einen Beschleunigungsbefehl des Fahrers eingeschränkt wird.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbild des Antriebs und Figur 2 eine schematische Darstellung des Antriebs mit Einzelelementen.
• In Figur 1 und Figur 2 sind trotz unterschiedlicher Darstellungsart für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet.
• An eine Brennkraftmaschine 1 ist ein Schwungrad 2, das an seinem Außendurchmesser mit einem Zahnkranz, auf den der Anlasser 3 wirkt, versehen ist, angeschlossen. Über Schwingungsdämpfer 4 ist das Schwungrad 2 mit einem Freilauf 5 gekoppelt. Der Freilauf hat die Aufgabe, die Brennkraftmaschine im Bremsbetrieb und bei schiebendem Wagen in den Leerlauf abfallen zu lassen, um den emissionsungünstigen Betrieb ganz zu meiden, wobei gegebenenfalls nit des hydrostatischen Motor 9 (auf Speicher und Drosselung) gebramst wird. An den Freilauf 5 schließt sich ein Verzweigungsgetriebe 6 mit einer n-Teilung im Antrieb und einer Md-Sammlung im Abtrieb an. Höchstgeschwindigkeit und stationäre Reisefährt erfolgt nit den neohanischen Zweig 1 also Brennkraftmaschine 1, Verzweigungsgetriebe 6, Achsantrieb 10, wobei eine hydrostatische Pumpe 7 mit der Drehzahl etwa gleich null läuft und lediglich zur Momenten-Abstützung dient, während an einem hydrostatischen Motor 9 die Schluckmenge etwa gleich null ist. Durch ein Absperrventil 24 tor den Hydromotordruckstutzen kann im letzteren Fall der schnelllaufende hydrostatische Motor 9 entlastet werden, um Verluste und Geräusche zu verringern.
• Die schlechter werdenden Teillastwirkungsgrade (Selbathemmungsbereich des hydrostatischen Motors) werden außerdem durch die Verzweigungsschaltung unachädlich gemacht. Die Gefahr der Selbstehmmung des hydrostatischen Motors im Teillastbereich mit den dann notwendigen, kleinen Winkeln der Schiefschiebe (α1) ist durch die Leistungsverzweigung gebannt, weil der Selbsthemmungsbereich des hydrostatischen Motors dort liegt, wo sein Leistungsanteil gegen Wull geht.
• Die hydrostatische Pumpe 7 fördert gegebenenfalls in den Hochdruckspeicher 8, aus dem der hydrostatisohe Motor 9 über eine Hochdruckleitung 27 gespeist vird. Über eine Niederdruckleitung 28 ist unter Zwischenschaltung eines ölkühlers 14 ein Xiederdruckspeicher 15 in den Kreislauf eingeachaltet, der bei stoßweisen Hochdruckspeicherung trotz relativ kleiner Jaohfiillmenge der Leckagen-Pumpe 13 größere Ansaugsengen unter Vordruck bereitstellen kann. Hierdurch werden die Nachfüllpumpen-Abregelverluste herabgesetzt. Sowohl an den Hochdruckspeicher 8 als auch an dem Niederdruckspeicher 15 ist Je ein Sicherheitsventil 25 a bzw. 25 b vor gesehen, von denen jeweils eine Leitung in 28 bzw.
• in den Ölsumpf 11 führt. Ate den Ölsumpf 11 wird mit der jüllpuipe 13, die direkt von der Brennkraftmaschine 1 angetrieben wird, öl zum ausgleich der leckverluste in das Niederdrucksystem gepumpt, wobei ein Füllpumpenschieber 26, durch die Hochdruckhilfsleitung 30 moduliert, für die richtigen Füllmengen des Niedruckspeichers relativ zum Hochdruckspeicher sorgt. In die Ansaugleitung 31 ist an passender Stelle ein Filter 12 eingebaut.
• Zum Einstellen der drei Fahrbereiche vorwärts, Leerlauf, rückwärts ist ein Wählhebel 16 vorgesehen, der einmal mit einem Umpolhahn 17, der gegebenenfalls din Vollumsteuerbarkeit des hydrostatischen Motors 9 entbehrlich nacht, in Verbindung steht und ttber einen zweiten Schenkel mit den Umschaltstützfreilauf is gekoppelt ist. An eine Druckregelleitung 29, die vor dem an Druckstutzen des hydrostatischen Motors 9 sitzenden Absperrventil 24 an die Hochdruckleitung 27 angeschlossen ist, sind der Abtriebsregler 20, der Antriebsregler 21 und der Hydropumpenregler 22 angeschlossen. Der Abtriebsregler 20 für den hydro statischen Motor 9 steht alternativ über einen Antrieb 32 mit der Welle 33 in Verbindung, um notfalls den Motor 9, zusätzlich oder ausschließlich, von der Fahrgeschwindigkeit aus beeinflussen zu können.
• Dominierend wird er allerdings durch das Fahrpedal -19 betätigt, das ggf. durch ein geeignetea Mittel 37 such auf den Antriebsregler 21 einwirken kann.
• Dieser wleirus beaufschlagt die Drosselklappe 23 der Brennkraftmaschine 1 und steht über weiteren Antrieb 34 mit der Abtriebswelle 35 der Brennkraftmaschine 1 in Verbindung, um nötigenfalls Regelmodifikationen an der Drosselklappe von der Motordrehzahl aus vorzunehmen (z. B.
• tberdrehschutz). Der Kraftfluß im Getriebe und die zugeordneten Drehmoment abstüt zungen sind aus der Zeichnung ohne weiteres ersichtlich, wobei mit 36 das Tellerrad eines üblichen Antriebes gekennzeichnet ist.
• Die Auslegung des Antriebes mit Speichern soll aber nicht einen alten Wunschtraum erfüllen, nämlich allein (emissionsfrei) in der Stadt mit Speicherenergie zu fahren und die Brennkraft--n.schine nur für tberlandfahrten einzusetzen.
• Dies ist schon allein wegen des bekannten Kapazi täts- (Gewichts-) Engpasses nicht möglich. Selbst eine Vollbremsung bzw. Beschleunigung soll nicht allein von dem Speicher beatritten werden. Er ermöglicht aber zwei Dinge, die sich sonst - selbst bei echt stufenlosen Getriebe- bzw. Antrieb systemen - gegenseitig ausschließen: 1. Spurtvermögen und 2. phlegmatisierte Gasdrossel. Der Speicher dient also vor allem dazu, der Brennkraftmaschine eine emissionagerechte Zeit zum Hochlaufen aus dem Leerlauf zur Vollastleistung zu ermöglichen, während der Fahrer beim Durchtreten des Fahrpedals sofort hohe Beschleunigung zur Verfügtmg hat, ohne daß Beschleunigerpumpen, Gemischüberfettung und ähnliche,bisher übliche Zusatzvorrichtungen am Vergaser bzw. der Einspritzanlage vorgesehen werden müssen, die die Emissionen verschlechtern. Der Speicher löst also die sonst gelegentlich stärende, steuere Ken@@@@@@tätsbindung reiner hydrostatischer Antriebe.
• Es ist bei Hydrostaten üblich und technisch elegant, den ohnehin vorhandenen Betriebsdruck zu Regelzwecken auszunützen. Dies wird bei dem erfindungsgemäßen Antrieb ebenfalls ausgenützt, denn ein endlicher Speicher kann llur unter einem Druckunterschied speichern, so da'S ei oberer und ein unterer Betriebsdruck festgelegt ist, wobei moglic:rt die Höchstdrücke den erforderlichen Maxim@ Zugkräften (Anfahren, Steigen, Beschleunigen) , der Kleinstdruck aber dem häufigsten Fahrzustand (Reisefahrt) zugeordnet sein sollten, zumal hier auch die geringsten Hydrogeräusche auftreten.
• Die Primärregelung ist also wesentlich von der Sekundäi'regelung verdrängt, in dem - wie bei stationären Pumpanlagen - die nntriebsmaschine, also der Otto-Motor, durch den Speicherdruck geregelt ist; und zwar nicht nur im Sinne eines "Ein-und-Ausschaltpunktes", sondern nach einem kontinuierlichen Gesetz, das den fahrtechnischen Gegebenheiten entspricht. Sinngemäß das Gleiche gilt auch für die von der Brennkraftmaschine 1 verzweigt angetriebene hydrostatische Pumpe 7.
• Da die Motorkenlllinie der Brennkraftmaschine vorgegeben ist, weihterhin über das Verzweigungsgetriebe samt etwaigen Vorgelegen die Drehmomcnte von der hydrostatischen Pumpe und d dem hydrostatischen Motor proportional bleiben müssen, ergibt sich eine eindeutige Funktion zwischem Druck im Speicher und dem Schwenkwinkel der hydrostatischen lumpe, deren Eigengesetz ja - bei gegebenem Format - Druck, Drehmoment und Schwenkwinkel α2 umfaßt.
• Die Fahrregelung bei Verwärtsfahrt erfolgt grundsätzlich voni Fahrerfuß über den an der Schiefscheibe des hydrostatischen otors angreifenden Abtriebsregler, wobei dessen Null-Stellung einem kleinen negativen Motorschwenkwinkel entspricht, der eine gewisse, den £wo1In ton Verzögerungswert einer Viertakt-Brennkraftmaschine entsprechende Bremsleistung zu speichert gestattet, die dann zur erneuten Beschleunigung zur Verfügung steht, Damit das Fahrzeug im Stillstand nicht unbeabsichtigt zurückrollt, ist ein Umschaltstützfreilauf vorgesehen, der im gewählten Vorwärtsgang rücksperrend wirkt und damit auch das Anfahren am Hang erleichtert. Zinn gewollten Xückwärtsfahren wird der Umschaltstützfreilauf gegensinnig und gegebenenfalls zugleich der Umpolhahn am hydrostatischen Motor umgelegt, wodurch man dann im Rückwärtsgang Sicherheit gegen Vorwärtskriechen hat, das beim Umschauen des Fahrers kritisch wäre Es bietet sich gegebenenfalls, d. Ii. falls vorgesehen, an, den Umpolhahn für den Rückwärtsgang so auszubilden, daß er im Leerlauf den hydrostatischen Motor und die hydrostatische. Pumpe druckfrei schaltet und gleichzeitig eine Speicherentleerung verhindert.
• Das Hochschalten, das bei automatischen Getrieben narrensicher sein muß und von dem Fahrer keinerlei besondere Kenntnisse erfordern darf, erfolgt bei durchgetretenem Fahrpedal bis Vmax entweder.
• durch einen Speicherdruckhochschalter, der im Abtriebsregler 20 koordiniert wird, oder vorteilhafter und üblicherweise durch einen Geschwindigkeitsfühler, der von der Welle 33 über den Antrieb 32 angetrieben wird.
• Für Übergas (kick-down), bei dem Höchstdrücken zugleich Höchstleistungen gefahren werden sollen, ist gegebenenfalls eine Schaltung vorgesehen, die es dem Fahrer ermöglicht, durch die im vorhergehenden Absatz geschilderte Einrichtung 37, die Drosselklappendruckregelung zu überspielen, das heißt den Speicher auf Höchstfüllung festzuhalten und dennoch die Drosselklappe weiter zu öffnen.
• Ein Rückschalgventil 39 vor der hydrostatischen Pumpe ist nötig, damit einmal kein blindleistungsbehafteter schnellgangbetrieb auftritt, und zum anderen wird außerdem das gegebenenfalls mögliche Räckwärt;sanwerftn der Brennkraftmaschine (bei vollem Hochdruckspeicher im Stillstand) verhindert.
• Letzteres könnte auch durch einen Sperrfreilauf 40 vom Saturnrad gegen das Gehäuse bewirkt werden, der gegen Stöße seitens der Brennkraftmaschine durch die Schwingungsdämpfer abgeschirmt wäre.

Claims (5)

A n s p r ü c h e

1. Antrieb für Kraftfahrzeuge, insbesondere stufenleser hydrostatischer Antrieb mit Leistungsverzweigung, bei dem wenigsten eine Antriebsquelle einen Hauptantrieb in den Beschleunigungsphasen unterstützt, wobei Energie zur einem Speicher, der im Normalbetrieb, Stillstand oder beim Bremsen durch Rückgewinnung der Energie wieder aufgeladen wird, verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß an einen Verzweigungsgetriebe (6) der Hauptantrieb (1), eine Abtriebswelle und eine regelbare Hilfsmasclline(9)und an der Abtriebswelle eine andere regelbare Hilfsmaschine (7) angeordnet sind, und daß beide Hilfsmaschinen (9, 7), die sowohl als Kraft- als auch als Arbeitsmaschinen arbeiten können, an wenigstens einem Energiespeicher (8) angeschlossen sind.

,'. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als flauptantrieb eine Brennkraftmaschine (1) vorgesehen ist, deren Drosselklappe (23) vom Potential des Energiespeichers (8 bzw. 15) geregelt ist.

3. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsmaschinen (7, 9) vom Potential des Energiespeichers (8 bzw. 15) geregelt sind.

4. Antrieb nach anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Hilfmaschine wahlweise aucli etwa proportlonal der Fahrgeschwindigkeit geregelt ist.

5. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsmaschinen (7, 9) Hydromaschinen sind.

L e e r s e i t e