Die
Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Schienenfahrzeug
mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 näher bezeichneten
Merkmalen.The
The invention relates to a drive train for a rail vehicle
with the closer referred to in the preamble of claim 1
Features.
Antriebsstränge
mit Verbrennungskraftmaschinen und hydraulischen Aggregaten sind
aus dem Stand der Technik bekannt. Diese kombinierten Systeme, wie
sie beispielsweise in der DE 10 2005 060 995 A1 oder in der DE 10 2005 060 992
A1 beschrieben sind, dienen als Antriebssysteme. Sie sind
zur Rückgewinnung von Bremsenergie mittels eines Druckspeicherelements
geeignet. Derartige Antriebe werden üblicherweise von Verbrennungskraftmaschinen
angetrieben, deren Abtriebsleistung zum Antreiben des hydraulischen
Kreislaufs dient.Drive trains with internal combustion engines and hydraulic units are known from the prior art. These combined systems, such as those in the DE 10 2005 060 995 A1 or in the DE 10 2005 060 992 A1 are described serve as drive systems. They are suitable for the recovery of braking energy by means of a pressure storage element. Such drives are usually driven by internal combustion engines whose output power is used to drive the hydraulic circuit.
Nachteilig
bei derartigen Systemen ist es, dass für entsprechend hohe
Antriebsleistungen, wie sie beispielsweise in Schienenfahrzeugen
benötigt werden, sehr große hydraulische Aggregate
notwendig sind, welche das entsprechende System aufwendig und teuer
machen. Außerdem werden in einem derartigen System insbesondere
im Vortriebsfall immer auch entsprechend Verluste in der Hydraulik
auftreten, so dass der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine durch
das nachgeschaltete hydraulische System weiter gesenkt wird.adversely
in such systems it is that for correspondingly high
Drive power, such as in rail vehicles
needed, very large hydraulic units
necessary, which the corresponding system consuming and expensive
do. Moreover, in such a system in particular
in the drive case always corresponding losses in the hydraulics
occur, so that the efficiency of the internal combustion engine through
the downstream hydraulic system is lowered further.
Ferner
sind aus dem Stand der Technik für kleine Leistungen Systeme
bekannt, bei denen ein hydraulisches System in der oben dargelegten
Art mit einem Antrieb über eine Brennkraftmaschine kombiniert
wird.Further
are from the state of the art for small power systems
known in which a hydraulic system in the above
Kind combined with a drive via an internal combustion engine
becomes.
Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Antriebsstrang
für ein Schienenfahrzeug zu schaffen, welcher bei den benötigten
hohen Leistungen einen optimalen Gesamtwirkungsgrad für
das Antriebssystem zu erreichen vermag, und welcher die entsprechend
hohen auftretenden Bremsleistungen zur Energierückgewinnung
zwischenspeichern kann.It
The object of the present invention is a drive train
to create for a rail vehicle, which at the required
high performance optimal overall efficiency for
to achieve the drive system, and which the corresponding
high occurring braking power for energy recovery
can cache.
Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten
Merkmale gelöst.According to the invention
This object by the mentioned in the characterizing part of claim 1
Characteristics solved.
Der
erfindungsgemäße Antriebsstrang für Schienenfahrzeuge
stellt eine Verbrennungskraftmaschine, typischerweise einen Dieselmotor,
und ein hydraulisches System zur Rückgewinnung von Bremsenergie
für eine derartige Anwendung erstmals in der Art eines
parallelen Hybridantriebsstrangs zusammen.Of the
Drive train according to the invention for rail vehicles
represents an internal combustion engine, typically a diesel engine,
and a hydraulic system for recovering braking energy
for such an application for the first time in the manner of a
parallel hybrid powertrain together.
In
dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang wirkt die
Verbrennungskraftmaschine im Antriebsfall typischerweise über
geeignete Getriebeelemente direkt auf wenigstens ein angetriebenes
Rad des Schienenfahrzeugs. Neben dem angetriebenen Rad kann selbstverständlich
auch auf eine entsprechende Achse, ein Radsatzgetriebe oder dergleichen
gewirkt werden. In vorteilhafter Weise steht somit für
den Antriebsfall die Energie über ein entsprechendes Gangwechselgetriebe
und gegebenenfalls ein Richtungsumkehrgetriebe „direkt” zur
Erzeugung der benötigten Vortriebsleistung zur Verfügung.In
the drive train according to the invention acts
Internal combustion engine in the drive case typically over
suitable transmission elements directly to at least one driven
Wheel of the rail vehicle. In addition to the driven wheel can of course
also on a corresponding axle, a final drive or the like
be worked. In an advantageous manner thus stands for
the drive case the energy through a corresponding gear change transmission
and optionally a direction reversing gearbox "directly" to
Generation of the required propulsion power available.
Parallel
dazu ist das hydraulische Aggregat in den Antriebsstrang eingebunden.
Dieses ist so eingebunden, dass es im Vortriebsfall alternativ oder
ergänzend Antriebsleistung zur Verfügung stellen
kann und im Bremsfall entsprechend als Pumpe angetrieben wird. Durch
das Speicherelement kann der im Bremsfall anfallende und durch das
hydraulische Aggregat in seinem Pumpbetrieb erzeugte Druck entsprechend
gespeichert werden. Bei vorliegender Druckenergie in dem Speicherelement
kann dann für den Vortriebsfall diese Energie über
das hydraulische Aggregat in seinem Motorbetrieb alternativ oder
parallel zur Abtriebsleistung der Verbrennungskraftmaschine für
den Vortrieb zur Verfügung gestellt werden. Dies kann typischerweise
zum Anfahren oder zur Abdeckung von benötigten Leistungsspitzen
genutzt werden. Damit lassen sich beispielsweise hohe Anfahrleistungen
und -momente erreichen. Beim Betrieb alternativ zur Verbrennungskraftmaschine
kann auch eine emissionsloses Anfahren zum Beispiel in einem Bahnhof
realisiert werden. Dies ist insbesondere bei Nahverkehrszügen
ein entscheidender Vorteil, da diese sehr häufig anhalten
und wieder anfahren müssen. Die Emissionsbelastung in den
Bahnhöfen und damit in unmittelbarem Kontakt zu Personen kann
so erheblich reduziert werden.Parallel
For this purpose, the hydraulic unit is integrated in the drive train.
This is integrated in such a way that it can be used as an alternative or as an alternative
additionally provide drive power
can be driven as a pump and in case of braking accordingly. By
the memory element can accumulate in the event of a brake and by the
hydraulic unit in its pumping operation generated pressure accordingly
get saved. At the present pressure energy in the storage element
can then for the propulsion of this energy over
the hydraulic unit in its engine operation alternatively or
parallel to the output of the internal combustion engine for
the propulsion are provided. This can typically
for starting or covering required power peaks
be used. This allows, for example, high starting performance
and moments. When operating as an alternative to the internal combustion engine
can also be an emission-free startup for example in a train station
will be realized. This is especially true for commuter trains
a decisive advantage, as they stop very often
and have to start again. The emission load in the
Stations and thus in direct contact with persons
be significantly reduced.
Neben
einem solchen Boostbetrieb kann in besonders vorteilhafter Weise
ein Backup oder Substitutionsbetrieb realisiert werden, bei dem
die Verbrennungskraftmaschine entsprechend kleiner dimensioniert
werden, da diese für benötigte Spitzenleistungen
jeweils durch das hydraulische Aggregat durch die als Druck zwischengespeicherte
Energie unterstützt wird.Next
such a boost operation can in a particularly advantageous manner
a backup or substitution operation can be realized in which
the internal combustion engine dimensioned correspondingly smaller
as these are needed for peak performance
respectively by the hydraulic unit by the cached as pressure
Energy is supported.
Der
Aufbau erlaubt es also, insbesondere bei den hohen Leistungen, wie
sie bei Schienenfahrzeugen notwendig sind, durch eine entsprechend
kleinere Auslegung der Verbrennungskraftmaschine und ihre Unterstützung
durch das hydraulische Aggregat, welches ausschließlich
durch bei Bremsvorgängen gespeicherte Energie angetrieben
wird, ein System zu schaffen, welches hinsichtlich seines Wirkungsgrades
deutliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bei
Schienenfahrzeugen ermöglicht. Außerdem kann das
hydraulische Aggregat im Antriebsfall in beiden Laufrichtungen betrieben
werden. Damit ist für die darüber gelieferte Leistung
kein Richtungsumkehrgetriebe notwendig, wie es bei Schienfahrzeugen üblicherweise
vorhanden ist. Die Einbindung des hydraulischen Systems in den Antriebsstrang
kann also auch nach diesem Richtungsumkehrgetriebe erfolgen, zum
Beispiel direkt am angetriebenen Rad oder an einem Radsatzgetriebe.The structure thus makes it possible, in particular for the high powers required by rail vehicles, to create a system by a correspondingly smaller design of the internal combustion engine and its support by the hydraulic unit, which is driven exclusively by energy stored during braking operations in terms of its efficiency significant advantages over the prior art in rail vehicles allows. In addition, the hydraulic unit can be operated in both directions when driving. Thus, no reverse direction gear is necessary for the delivered power, as it is in Schienfahrzeu gene is usually present. The integration of the hydraulic system in the drive train can therefore also take place after this direction reversing gear, for example, directly on the driven wheel or on a final drive.
Die
Speicherung der rekuperierten Bremsenergie in einem Druckspeicherelement
bietet dabei gegenüber alternativen Speichermethoden, wie
beispielsweise einer Batterie bei einem Diesel/Elektro-Hybrid deutliche
Vorteile hinsichtlich der Energiedichte im Speicher und der Möglichkeit,
große Leistungen beziehungsweise große Energiemengen
in sehr kurzer Zeit einerseits einzuspeichern und andererseits wieder
freizugeben, ohne dabei derart große Verluste zu generieren,
wie dies in einem Batteriesystem oder elektrischen Hochleistungskondensatoren
der Fall wäre.The
Storage of the recuperated braking energy in a pressure storage element
offers alternative storage methods, such as
For example, a battery in a diesel / electric hybrid significant
Advantages in terms of energy density in the memory and the possibility
large outputs or large amounts of energy
to save in a very short time on the one hand and on the other hand again
release without generating such large losses,
like this in a battery system or high power electrical capacitors
the case would be.
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Antriebsstrangs ergeben sich aus den Unteransprüchen und
aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand
der Figuren detailliert erläutert wird.Further
advantageous embodiments of the invention
Drive train resulting from the dependent claims and
from the exemplary embodiment, which is described below
the figures is explained in detail.
Dabei
zeigen:there
demonstrate:
1 eine
schematische Darstellung des Antriebsstrangs für ein Schienenfahrzeug;
und 1 a schematic representation of the drive train for a rail vehicle; and
2 den
Hydraulikschaltplan des hydraulischen Systems des Antriebsstrangs
in einer möglichen Ausführungsform. 2 the hydraulic circuit diagram of the hydraulic system of the drive train in a possible embodiment.
In
der 1 ist eine stark schematisierte Ansicht des erfindungsgemäßen
Antriebsstrangs 1 zu erkennen. Beispielhaft treibt dieser
in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein schematisch
angedeutetes angetriebenes Rad 2 an. Diese Ausgestaltung
ist dabei rein beispielhaft zu verstehen. Selbstverständlich
kann der Antriebsstrang auch dementsprechend eine Achse oder über
ein Radsatzgetriebe einen Radsatz entsprechend antreiben, wie dies
bei Schienenfahrzeugen allgemein bekannt und üblich ist.
Da dieser Teil des Antriebsstrangs 1 jedoch für
das Verständnis der Erfindung nicht weiter von Bedeutung
ist, wird hier der Aufbau beispielhaft anhand des angetriebenen
Rades 2 dargestellt und erläutert.In the 1 is a highly schematic view of the drive train according to the invention 1 to recognize. By way of example, this drives a schematically indicated driven wheel in the exemplary embodiment shown here 2 at. This embodiment is to be understood purely by way of example. Of course, the drive train can accordingly drive an axle or a gearbox a wheel set accordingly, as is well known and common in rail vehicles. Because this part of the powertrain 1 However, for the understanding of the invention is not of any importance, here is the structure by way of example with reference to the driven wheel 2 illustrated and explained.
Außerdem
weist der Antriebsstrang 1 in der 1 eine schematisch
angedeutete Verbrennungskraftmaschine 3 auf, welche bei
Schienenfahrzeugen zumeist ein Dieselmotor sein wird. Die Abtriebswelle 4 dieses
Dieselmotors 3 treibt ein Getriebe 5 an, welches über
eine Getriebeausgangswelle 6 letztlich das angetriebene
Rad 2 antreibt. Der Antriebsstrang 1 der 1 weist
außerdem ein hydraulisches System 7 auf, welches
innerhalb einer strichpunktierte Linie in 1 dargestellt
ist. Das hydraulische System 7 umfasst ein hydraulisches
Aggregat 8 sowie ein Speicherelement 9 zum Speichern
von Druckenergie. Dieses Speicherelement 9 – auch
Druckspeicher 9 genannt – ist mit dem hydraulischen Aggregat 8 und einem
Tank 10 über Leitungselemente 11 und
Ventileinrichtungen 12 so miteinander verbunden, dass das
hydraulische Aggregat 8 in seinem Pumpbetrieb Arbeitsfluid
aus dem Bereich des Tanks 10 in den Bereich des Druckspeichers 9 fördern
kann, und in seinem Motorbetrieb von unter Druck stehendem Arbeitsfluid
aus dem Druckspeicher 9 angetrieben werden kann, wobei
das in dem hydraulischen Aggregat 8 dann entspannte Arbeitsfluid
in den Tank 10 zurückfließt.In addition, the drive train points 1 in the 1 a schematically indicated internal combustion engine 3 which is usually a diesel engine in rail vehicles. The output shaft 4 this diesel engine 3 drives a gearbox 5 on, which via a transmission output shaft 6 ultimately the driven wheel 2 drives. The powertrain 1 of the 1 also has a hydraulic system 7 which is within a dot-dash line in 1 is shown. The hydraulic system 7 includes a hydraulic unit 8th and a memory element 9 for storing pressure energy. This storage element 9 - also pressure accumulator 9 called - is with the hydraulic unit 8th and a tank 10 via line elements 11 and valve devices 12 connected together so that the hydraulic unit 8th in its pumping mode, working fluid from the tank area 10 in the area of the pressure accumulator 9 can promote, and in its engine operation of pressurized working fluid from the accumulator 9 can be driven, the in the hydraulic unit 8th then relaxed working fluid in the tank 10 flowing back.
In
den Druckspeicher 9 wird das Arbeitsfluid gegen ein Gaspolster 13 in
den Druckspeicher 9 gepresst, so dass die Druckenergie
auch beziehungsweise im Wesentlichen oder ausschließlich
in dem dadurch verdichteten Gas des Gaspolsters 13 gespeichert
wird. Als Gas für das Gaspolster 13 kommen dabei
thermodynamisch stabile Gase in Betracht, beispielsweise Inertgase,
wie zum Beispiel Stickstoff oder Edelgase, beispielsweise Helium
oder ein Kältemittel mit einem niedrigen Adiabatenexponenten,
beispielsweise von unter 1,4.In the accumulator 9 is the working fluid against a gas cushion 13 in the accumulator 9 pressed, so that the pressure energy also or substantially or exclusively in the thus compressed gas of the gas cushion 13 is stored. As gas for the gas cushion 13 thermodynamically stable gases come into consideration, for example inert gases, for example nitrogen or noble gases, for example helium or a refrigerant with a low adiabatic exponent, for example of less than 1.4.
Zum
Antrieb des hydraulischen Aggregats 8 dient eine Welle 14,
welche das hydraulische System 7 mit dem Rest des Antriebsstrangs 1 verbindet.
In 1 ist die Verbindung dabei beispielhaft über
das Getriebe 5 gezeichnet; es wäre jedoch auch
eine Anbindung des hydraulischen Systems 7 an beliebigen anderen
Stellen im Antriebsstrang denkbar, beispielsweise direkt am angetriebenen
Rad 2 oder in einem hier nicht dargestellten Radsatzgetriebe
oder einem sonstigen Getriebe. Grundsätzlich kann das hydraulische
System 7 also an jeden beliebigen Nebenabtrieb irgendeines
Getriebes in dem Antriebstrang 1 angekoppelt werden. Dies
macht es zu einem sehr flexiblem System, welches problemlos auch
in bestehenden Antriebssträngen nachgerüstet werden
kann, die über einen entsprechenden Nebenabtrieb verfügen.
Das hydraulische System kann dabei entweder direkt oder mit einem
geeigneten Leistungsteiler zusammen mit einem anderen Nebenaggregat
angekoppelt werden.To drive the hydraulic unit 8th serves a wave 14 which the hydraulic system 7 with the rest of the powertrain 1 combines. In 1 the connection is exemplified by the gearbox 5 drawn; However, it would also be a connection of the hydraulic system 7 conceivable at any other points in the drive train, for example directly on the driven wheel 2 or in a not shown here Radsatzgetriebe or other gear. Basically, the hydraulic system 7 So to any power take-off of any transmission in the drive train 1 be coupled. This makes it a very flexible system, which can easily be retrofitted in existing drive trains, which have a corresponding power take-off. The hydraulic system can be coupled either directly or with a suitable power divider together with another accessory.
Bei
dem Getriebe 5, welches auch für das Wechseln
der Übersetzungen genutzt werden wird und daher typischerweise
als Gangwechselgetriebe ausgelegt ist, kann es sich beispielsweise
um ein hydrodynamisches Getriebe handeln. Ein solches hydrodynamisches
Getriebe hat dabei den Vorteil, dass auf Kupplungselemente zwischen
dem Getriebe 5, der Verbrennungskraftmaschine 3 und
dem angetriebenen Rad 2 verzichtet werden kann. Außerdem
erlaubt das hydrodynamische Getriebe eine entsprechende stufenlose
Wandlung von Drehzahl und Drehmoment. Da ein solches hydrodynamisches
Getriebe in seinem Wandler jedoch unvermeidbare Verluste verursachen
wird, ist es besonders günstig, wenn die Welle 14 sekundärseitig
vom Wandler des hydrodynamischen Getriebes 5 beispielsweise
in das Getriebe 5 selbst, wie hier dargestellt, oder an
einer anderen Stelle des Antriebsstrangs sekundärseitig eingebunden
wird.In the transmission 5 , which will also be used for changing the translations and is therefore typically designed as a change gear, it may be, for example, a hydrodynamic transmission. Such a hydrodynamic transmission has the advantage that on coupling elements between the transmission 5 , the internal combustion engine 3 and the driven wheel 2 can be waived. In addition, the hydrodynamic transmission allows a corresponding stepless conversion of speed and torque. Since such a hydrodynamic Ge However, transmission in its converter will cause unavoidable losses, it is particularly favorable when the shaft 14 on the secondary side of the converter of the hydrodynamic transmission 5 for example, in the transmission 5 itself, as shown here, or is integrated on another side of the drive train on the secondary side.
Die
Welle 14 besteht aus mehreren Teilen 14.1 und 14.2,
welche durch eine Kupplung 15 verbunden sind. Damit ist
das hydraulische System 7 schaltbar mit dem Antriebsstrang
verbunden und kann aus diesem herausgeschaltet werden, wenn es nicht
benötigt wird. Damit läuft das hydraulische System
nur dann mit, wenn es auch wirklich benötigt wird. In den
anderen Zeiten ist es abgekuppelt und befindet sich im Stillstand.
Damit kann ein geringer Verschleiß und damit eine höhere
Zuverlässigkeit und Lebensdauer erzielt werden. Dabei werden
aufgrund der hohen übertragenen Leistungen Lamellenkupplungen
oder Magnetkupplungen als die bevorzugten Ausführungsformen
solcher Kupplungselemente eingesetzt.The wave 14 consists of several parts 14.1 and 14.2 passing through a clutch 15 are connected. This is the hydraulic system 7 switchable connected to the drive train and can be switched out of this, if it is not needed. Thus, the hydraulic system runs only when it is really needed. In the other times it is uncoupled and is at a standstill. Thus, a low wear and thus a higher reliability and durability can be achieved. In this case, multi-plate clutches or magnetic clutches are used as the preferred embodiments of such coupling elements due to the high transmitted power.
Die
Funktionsweise des Antriebsstrangs 1 ist nun die eines
parallelen hybriden Antriebsstrangs. Im Antriebsfall wird dabei
Leistung von dem Dieselmotor 3 bereitgestellt und gelangt über
das Getriebe 5 und die entsprechenden Wellen 4, 6 zu
dem angetriebenen Rad 2. Außerdem kann bei geschlossener
Kupplung 15 zusätzlich Leistung mittels des hydraulischen Aggregats 8 bereitgestellt
werden, welches dann in seinem Motorbetrieb betrieben wird. Die
benötigte Energie für das hydraulische Aggregat
wurde in dem Druckspeicher 9 zuvor gespeichert und stammt
aus zurückgewonnener Bremsenergie. Je nach Ausführung
des hydrodynamischen Wandlers in dem Getriebe 5 wird so
Leistung bei geschlossener Kupplung 15 entweder nur von
dem hydraulischen Aggregat 8 an das angetriebene Rad 2 geliefert,
um beispielsweise emissionsfrei Anzufahren, oder es wird Leistung
sowohl von dem hydraulischen Aggregat 8 als auch von dem
Dieselmotor 3 an das angetriebene Rad 2 geliefert,
beispielsweise um das Anfahrmoment zu steigern. Bei vergleichbaren
Ausführungen mit anderen Getriebebauarten 5 wäre
hier entsprechend eine Kupplung beispielsweise im Bereich der Motorabtriebswelle 4 notwendig,
um entsprechend die Wahl zu haben, entweder über den Dieselmotor 3 oder
das hydraulische Aggregat 8 oder über beide die
Antriebsleistung zur Verfügung zu stellen.The functioning of the powertrain 1 is now that of a parallel hybrid powertrain. In the drive case, while power from the diesel engine 3 provided and passes through the transmission 5 and the corresponding waves 4 . 6 to the driven wheel 2 , In addition, when the clutch is closed 15 additional power by means of the hydraulic unit 8th be provided, which is then operated in its engine operation. The required energy for the hydraulic unit was in the accumulator 9 previously stored and comes from recovered braking energy. Depending on the design of the hydrodynamic converter in the transmission 5 So is performance with the clutch closed 15 either only from the hydraulic unit 8th to the driven wheel 2 delivered, for example, to start without emissions, or it will power from both the hydraulic unit 8th as well as from the diesel engine 3 to the driven wheel 2 delivered, for example, to increase the starting torque. For comparable versions with other gearbox types 5 would be correspondingly a clutch, for example in the field of engine output shaft 4 necessary to have the choice, either via the diesel engine 3 or the hydraulic unit 8th or to provide the drive power over both.
Bei
längerfristigem eher konstanten Fahrbetrieb über
eine größere Strecke wird dann bevorzugt der Dieselmotor 3 die
Antriebsleistung alleine zur Verfügung stellen, während
das hydraulische System 7 durch die offene Kupplung 15 abkoppelt
ist und damit geschont wird.For longer-term rather constant driving over a larger distance then the diesel engine is preferred 3 provide the drive power alone, while the hydraulic system 7 through the open coupling 15 is decoupled and thus spared.
Kommt
es nun zu einem Bremsvorgang des Schienenfahrzeugs, wird die Kupplung 15 entsprechend
geschlossen und am angetriebenen Rad 2 anfallende Bremsenergie
gelangt über den Antriebsstrang in den Bereich des hydraulischen
Aggregats 8. In diesem Bremsfall wird das hydraulische
Aggregat 8 dann als Pumpe betrieben. Im Pumpbetrieb fördert das
hydraulische Aggregat 8 Arbeitsfluid aus dem Bereich des
Tanks 10 durch die Leitungen 11 und eine entsprechend
geschaltete Ventileinrichtung 12 in den Druckspeicher 9.
Im Druckspeicher 9 wird das Arbeitsmedium das Gaspolster 13 entsprechend komprimieren
und damit in dem Gaspolster die in den Druckspeicher 9 eingebracht
Druckenergie speichern. Für Schienenfahrzeuge wie zum Beispiel Triebwagen
für den Regionalverkehr oder Rangierlokomotiven kann je
nach üblicher Fahrstrecke und Einsatzzweck eine Speicherkapazität
für eine Energiemenge von beispielsweise ca. 2 kWh vorgesehen werden,
wobei dabei nur ca. 1–1,5 kWh in ständigem Zyklus
ein- und ausgespeichert werden. Aufgrund der vergleichsweise hohen
Masse von Schienefahrzeugen werden die Speicherkapazitäten üblicherweise über
0,5 kWh liegen.If it now comes to a braking operation of the rail vehicle, the clutch 15 appropriately closed and on the driven wheel 2 accumulating braking energy passes through the drive train in the area of the hydraulic unit 8th , In this case, the hydraulic unit 8th then operated as a pump. In pumping mode, the hydraulic unit promotes 8th Working fluid from the tank area 10 through the pipes 11 and a correspondingly switched valve device 12 in the accumulator 9 , In pressure accumulator 9 the working medium becomes the gas cushion 13 compress accordingly and thus in the gas cushion in the accumulator 9 incorporated pressure energy store. For rail vehicles such as railcars for regional transport or Rangierlokomotiven can be provided depending on the usual route and purpose storage capacity for an amount of energy, for example, about 2 kWh, while only about 1-1.5 kWh in constant cycle and stored become. Due to the comparatively high mass of rail vehicles, the storage capacities will usually be above 0.5 kWh.
Die
Rückgewinnung der Bremsenergie mittels des hydraulischen
Aggregats 8 in seinem Pumpbetrieb und das entsprechende
Einspeichern dieser zurückgewonnenen Energie in dem Druckspeicher 9 hat
außerdem den Vorteil, dass das hydraulische Aggregat 8 zum
verschleißfreien Abbremsen des Schienenfahrzeugs im Bremsfall
beiträgt. Für den Fahrer eines Schienenfahrzeugs
wird dies nicht unmittelbar auffallen, da er lediglich die Bremse
betätigt und die entsprechende Bremswirkung seines Fahrzeugs feststellt.
Die benötigte Bremsenergie wird jetzt aber größtenteils über
das hydraulische Aggregat 8 bereitgestellt und, wie erläutert,
in Form der Druckenergie zwischengespeichert. Das Bremsen mittels
des hydraulischen Aggregats 8 in seinem Pumpbetrieb stellt dabei
eine Möglichkeit dar, verschleißfrei zu bremsen und
insbesondere beim Abbremsen aus höheren Geschwindigkeiten
die Vorteile einer verschleißfreien Bremse mit den Vorteilen
der Rekuperation von Bremsenergie zu verbinden.The recovery of the braking energy by means of the hydraulic unit 8th in its pumping mode and the corresponding storage of this recovered energy in the accumulator 9 also has the advantage that the hydraulic unit 8th Contributes to the wear-free braking of the rail vehicle in case of braking. For the driver of a rail vehicle, this will not immediately notice because he only actuates the brake and determines the corresponding braking effect of his vehicle. The required braking energy is now mostly via the hydraulic unit 8th provided and, as explained, cached in the form of the pressure energy. Braking by means of the hydraulic unit 8th in its pumping mode is a way to brake wear-free and especially when braking from higher speeds to combine the benefits of a wear-free brake with the benefits of recuperation of braking energy.
Mit
dem hier dargestellten System ist das Abbremsen bis zum Stillstand
möglich. Aus Sicherheitstechnischen Gründen sind
jedoch in der Regel neben der Möglichkeit des Bremsens über
das hydraulische Aggregat 8 weitere Bremselemente vorzusehen,
beispielsweise allgemein übliche reibende Bremselemente,
welche über Reibelemente Achse oder Rad bis zum Stillstand
abbremsen. Es kann optional auch noch ein Retarder als weitere verschleißfreie
Dauerbremse mit vorgesehen werden. Dies ist jedoch für die
Erfindung nicht von weiterer Bedeutung, so dass auf die alternativen
Möglichkeiten zum Bremsen, welche neben dem hydraulischen
System 7 der Erfindung vorhanden sein können,
nicht näher eingegangen wird.With the system shown here, braking to standstill is possible. For safety reasons, however, are usually in addition to the possibility of braking via the hydraulic unit 8th provide further brake elements, for example, common rubbing brake elements which brake via friction axle or wheel to a standstill. Optionally, a retarder can also be provided as a further wear-free retarder. However, this is not of further importance to the invention, so that the alternative possibilities for braking, which in addition to the hydraulic system 7 The invention may be present, not discussed in detail.
Für
den Tank 10 des hydraulischen Systems 7 gibt es
grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten der Ausgestaltung.
So kann der Tank 10 beispielsweise einen Niederdruckbereich
darstellen, welcher auf einem Druckniveau von beispielsweise ca.
100 bar liegt. Auch dieser Tank 10 wird in diesem Fall
vorteilhaft über ein hier nicht dargestelltes Gaspolster auf
dem entsprechenden Druck gehalten, so dass dieser in seiner Größenordnung
bestehen bleibt, auch wenn Arbeitsfluid aus dem Tank 10 entnommen wird.
Das Druckniveau in dem Druckspeicher 9 wird dann bei einem
höheren Arbeitsdruck von beispielsweise ca. 300–400
bar liegen. Das hydraulische Aggregat muss dann in seinem Pumpbetrieb
diese Druckdifferenz aufbauen und kann diese in seinem motorischen
Betrieb nutzen, um die benötigte Leistung an der Welle 14 bereitzustellen.For the tank 10 of the hydraulic system 7 There are basically different ways of designing. That's how the tank works 10 For example, represent a low pressure region, which is at a pressure level of, for example, about 100 bar. Also this tank 10 is held in this case advantageous over a gas cushion, not shown here on the appropriate pressure, so that this remains in its magnitude, even if working fluid from the tank 10 is removed. The pressure level in the accumulator 9 will then be at a higher working pressure, for example, about 300-400 bar. The hydraulic unit must then build this pressure difference in its pumping operation and can use this in its motor operation to the required power to the shaft 14 provide.
Neben
einem solchen sogenannten geschlossenen System kann auch ein offenes
System eingesetzt werden, bei dem der Tank 10 gegenüber der
Atmosphäre offen ist, also auf demselben Druckniveau wie
die Atmosphäre liegt. Bei entsprechendem Arbeitsdruckniveau
in dem Druckspeicher 9 von beispielsweise wiederum ca.
300–400 bar kann dann durch das hydraulische Aggregat 8 eine
entsprechend höhere Druckdifferenz genutzt werden, so dass
faktisch bei gleicher Größe des Druckspeichers 9 mehr
Energie gespeichert werden kann, da eine größere
Druckdifferenz nutzbar zur Verfügung steht. Damit ist eine
höhere Energieausnutzung und ein höheres Drehmoment
möglich, als beim geschlossenen System. Um diese Druckdifferenz
im Pumpbetrieb des hydraulischen Aggregats 8 realisieren
zu können, wird eine Einrichtung zur Erzeugung eines Vordrucks
vorgeschlagen, so dass die Verdichtung des in dem dann offenen Tank 10 befindlichen
Arbeitsmedium faktisch in typischer Weise zwei Stufen erfolgt. Trotz
des Vorsehens eines solchen Vordrucksystems baut das offenen System
kleiner und leichter als eine geschlossenes System mit vergleichbarer
Leistung.In addition to such a so-called closed system, an open system can be used in which the tank 10 is open to the atmosphere, that is at the same pressure level as the atmosphere. At a corresponding working pressure level in the accumulator 9 from, for example, again about 300-400 bar can then through the hydraulic unit 8th a correspondingly higher pressure difference can be used, so that in fact at the same size of the pressure accumulator 9 More energy can be stored, as a larger pressure difference is available available. This allows higher energy utilization and higher torque than with the closed system. To this pressure difference in the pumping operation of the hydraulic unit 8th To be able to realize a means for generating a form is proposed so that the compression of the then open tank 10 actually located two working stages in a typical manner. Despite the provision of such a pre-pressure system, the open system is smaller and lighter than a closed system of comparable performance.
Ein
solch offenes System in einer möglichen Ausgestaltungsvariante
liegt der detaillierten Darstellung des hydraulischen Systems 7 in 2 zugrunde.
Darin ist eine detaillierte Darstellung eines möglichen
Aufbaus des hydraulischen Systems 7 gezeigt. Auf die Darstellung
des Getriebes 5, des angetriebenen Rades 2 sowie
der Verbrennungskraftmaschine 3 und der entsprechenden
Wellen 4, 6 wurde verzichtet. Im oberen Teil der 2 ist
daher nur der antriebsseitige Teil 14.1 der Welle 14,
das Kupplungselement 15 und der hydraulikseitige Teil 14.2 der
Welle 14 nochmals dargestellt. In dem Aufbau des Ausführungsbeispiels
in 2 treibt die Welle 14 über ein entsprechendes
Stirnradgetriebe 16 das hydraulische Aggregat 8 an,
welches in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus
zwei Hydraulikpumpen/-motoren 8.1, 8.2 besteht
oder solche umfasst. Beide hydraulischen Pumpen/Motoren 8.1 und 8.2 weisen
dabei ein variables Schluckvermögen auf und sind hinsichtlich
ihres geförderten Volumenstroms stufenlos einstellbar.Such an open system in a possible embodiment variant is the detailed representation of the hydraulic system 7 in 2 based. This is a detailed description of a possible structure of the hydraulic system 7 shown. On the representation of the transmission 5 , the driven wheel 2 as well as the internal combustion engine 3 and the corresponding waves 4 . 6 was waived. In the upper part of the 2 is therefore only the drive-side part 14.1 the wave 14 , the coupling element 15 and the hydraulic side part 14.2 the wave 14 shown again. In the construction of the embodiment in 2 drives the wave 14 via a corresponding spur gear 16 the hydraulic unit 8th on, which in the embodiment shown here consists of two hydraulic pumps / motors 8.1 . 8.2 exists or includes such. Both hydraulic pumps / motors 8.1 and 8.2 have a variable absorption capacity and are infinitely adjustable in terms of their delivered volume flow.
Der
hydraulikseitige Teil 14.2. der Welle 14, welche
das hydraulische Aggregat 8 treibt, wird auf der der Kupplung 15 abgewandten
Seite des Stirnradgetriebes 16 über das hydraulische
Aggregat 8 hinaus verlängert. Dieser Abschnitt
des Teils 14.2 der Welle 14 treibt in dem hier
dargestellten Ausführungsbeispiel eine Regelpumpe 17 an,
welche ebenfalls als stufenlos einstellbare Pumpe mit einem variablen
Schluckvermögen ausgebildet ist. Der Teil 14.2.
der Welle 14 kann dabei als Gelenkwelle ausgebildet sein,
welche mehrerer Gelenke aufweist, wie dies in 2 durch
die parallelen quer zur Wellenachse verlaufenden Linien angedeutet
ist. Der Aufbau als Gelenkwelle ermöglicht eine erhöhte
Flexibilität bei der Anordnung der Komponenten.The hydraulic side part 14.2 , the wave 14 which the hydraulic unit 8th drives on the clutch 15 opposite side of the spur gear 16 over the hydraulic aggregate 8th extended beyond. This section of the part 14.2 the wave 14 drives in the embodiment shown here a control pump 17 which is also designed as a continuously variable pump with a variable absorption capacity. The part 14.2 , the wave 14 can be designed as a propeller shaft, which has several joints, as in 2 is indicated by the parallel transverse to the shaft axis lines. The construction as a cardan shaft allows for increased flexibility in the arrangement of the components.
Über
die Regelpumpe 17 werden in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
zwei Lademotoren 18 angetrieben, wobei die Regelpumpe 17 dazu
aus dem Tank 10, welcher hier wie durch den Luftfilter 19 angedeutet
gegenüber der Atmosphäre offen ausgebildet ist, über
ein Leitungselement 20.1 Arbeitsfluid, insbesondere Öl
ansaugt, und dieses über ein Leitungselement 20.2 an
die Lademotoren 18 liefert, bevor dieses über
ein entsprechendes Rückschlagventil zurück in
den offenen Tank 10 fließt. Die Lademotoren 8 haben
bei diesem Aufbau den Vorteil, dass sie aufgrund der mit ihr korrespondierenden
Regelpumpe 17 mit ihrem regelbaren Volumenstrom als Lademotoren 18 für
ein konstantes Volumen ausgelegt werden können. Über
die Lademotoren 18 wird nun über eine Welle mechanisch
eine Mehrzahl von Ladepumpen 21 angetrieben. Diese Ladepumpen 21 können
ebenfalls als Konstantpumpen ausgebildet werden.About the control pump 17 be in the embodiment shown here, two loading engines 18 driven, with the control pump 17 from the tank 10 , which here as through the air filter 19 indicated to the atmosphere is open, via a conduit element 20.1 Working fluid, in particular oil sucks, and this via a line element 20.2 to the loading engines 18 delivers before this via a corresponding check valve back into the open tank 10 flows. The loading engines 8th have the advantage in this structure that they due to the corresponding with her regular pump 17 with their adjustable volume flow as load motors 18 can be designed for a constant volume. About the loading engines 18 Now, a plurality of charge pumps is mechanically via a shaft 21 driven. These charge pumps 21 can also be designed as constant pumps.
Grundsätzlich
reicht für die Funktion eine Ladepumpe aus; durch die Mehrzahl
von Ladepumpen 21 in dem offenen Tank 10 kann
jedoch erreicht werden, dass die jeweiligen Ansaugöffnungen
jede für sich genommen einen geringen Volumenstrom je Querschnittsfläche
liefern, so dass in der Summe ein ausreichend großer aber
gleichmäßigerer Volumenstrom durch die Ladepumpen 21 angesaugt
und in die Leitung 22 gefördert werden kann. Ein
weiterer Vorteil des Aufbau mit mehreren Ladepumpen 21 liegt
darin, dass diese sehr flexibel in den Tank 10 integriert
werden können. Mehrer einzelne Pumpen sind nämlich
viel leichter in das stellenweise ggf. sehr enge Tankvolumen einzubauen.
Der Tank 10 selbst kann so sehr viel flexibler ausgestaltet
und an den verfügbaren Bauraum angepasst werden, als wenn er
eine große Ladepumpe aufnehmen müsste.Basically, a charge pump is sufficient for the function; through the majority of charge pumps 21 in the open tank 10 However, it can be achieved that the respective intake each individually provide a low flow rate per cross-sectional area, so that in sum a sufficiently large but more uniform volume flow through the charge pumps 21 sucked and into the pipe 22 can be promoted. Another advantage of the construction with several charge pumps 21 This is because these are very flexible in the tank 10 can be integrated. More individual pumps are much easier to install in the sometimes very small tank volume. The Tank 10 itself can be designed so much more flexible and adapted to the available space, as if he would have to take a large charge pump.
Der
Aufbau mit der Regelpumpe 17, den Lademotoren 18,
den Ladepumpen 21 bis hin zur Bereitstellung eines entsprechend
unter Druck stehenden Arbeitsmediums in der Leitung 22 kann
dabei als Einrichtung 23 zur Erzeugung eines Vordrucks
oder als Vordrucksystem 23 bezeichnet werden. Dieses Vordrucksystem 23 dient
dazu, das Arbeitsfluid, welches in dem Tank 10 bei atmosphärischem
Druck vorliegt, soweit vorzuverdichten, dass mit einem vertretbaren
Aufwand durch das hydraulische Aggregat 8 im Bremsbetrieb
des Antriebsstrangs 1 der erforderliche Druck zum Einspeichern
der Energie in dem Speicherelement 9 erreicht werden kann.
Insbesondere ermöglicht der Vordruck höhere Drehzahlen
von bis über 4000 U/min des hydraulischen Aggregats 8, ohne
das Kavitation in den hydraulischen Pumpen/Motoren 8.1 und 8.2 einsetzt.
Diese hohen Drehzahlen und Leistungen sind ansonsten bei offenen System
nicht zu erreichen.The structure with the control pump 17 , the loading engines 18 , the charge pumps 21 up to Be providing a correspondingly pressurized working medium in the line 22 can be used as a device 23 for the production of a form or as a form pressure system 23 be designated. This form system 23 serves to the working fluid, which is in the tank 10 is present at atmospheric pressure, as far as precompress that with a reasonable effort by the hydraulic unit 8th during braking operation of the drive train 1 the pressure required to store the energy in the storage element 9 can be achieved. In particular, the form allows higher speeds of up to over 4000 rev / min of the hydraulic unit 8th without the cavitation in the hydraulic pumps / motors 8.1 and 8.2 starts. These high speeds and powers are otherwise impossible to achieve in open systems.
Die
Einrichtung 23 zur Erzeugung des Vordrucks kann dabei alternativ
zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel auch so ausgestaltet
sein, dass der Antrieb der Lademotoren 18 beziehungsweise der
Ladepumpen 21 auf eine andere Art erfolgt. Beispielsweise
wäre es denkbar, dass die Ladepumpen 21 unmittelbar
oder über geeignete mechanische und/oder hydrodynamische
Getriebeelemente so mit der Welle 14 verbunden sind, dass
der Antrieb direkt, beispielsweise über eine geeignete
Gelenkwelle oder dergleichen erfolgt.The device 23 for generating the form can also be configured as an alternative to the illustrated embodiment in such a way that the drive of the loading motors 18 or the charge pump 21 done in a different way. For example, it would be conceivable that the charge pumps 21 directly or via suitable mechanical and / or hydrodynamic transmission elements so with the shaft 14 are connected, that the drive takes place directly, for example via a suitable propeller shaft or the like.
Die
Ausgestaltung mit einer Anbindung der Einrichtung zur Erzeugung
des Vordrucks an die Welle 14 beziehungsweise eine andere
sich drehende Welle des hydraulischen Aggregats 8 hat dabei
den Vorteil, dass der Vordruck über das Vordrucksystem 23 immer
dann bereitgestellt wird, wenn das hydraulische Aggregat 8 als
Pumpe in Betrieb ist. Außerdem wird die für den
Vordruck benötigte Leistung ebenfalls aus der Bremsleistung
erzeugt. Es ist also kein zusätzlicher Energieaufwand nötig.
Da der Vordruck aus dem Vordrucksystem 23 grundsätzlich
nur dann benötigt wird, wenn die beiden hydraulischen Pumpen/Motoren 8.1 und 8.2 im
Pumpbetrieb laufen, also wenn der Bremsfall des Antriebsstrangs 1 vorliegt, müsste
für den Antriebsfall, wenn die hydraulischen Pumpen/Motoren 8.1 und 8.2 im
motorischen Betrieb laufen und ihren Druck aus dem Speicherelement 9 bekommen,
ein entsprechendes Kupplungselement vorgesehen werden. Der hier
dargestellte Aufbau umgeht dies dadurch, dass die Regelpumpe 17 so verstellt
werden kann, dass diese im Antriebsfall des Antriebsstrangs 1 keinen
Volumenstrom fördert und damit die Lademotoren 18 und
die Ladepumpen 21 nicht betrieben werden.The embodiment with a connection of the device for generating the form to the shaft 14 or another rotating shaft of the hydraulic unit 8th has the advantage that the form via the form system 23 is always provided when the hydraulic unit 8th as a pump in operation. In addition, the power required for the form is also generated from the braking power. So no additional energy is needed. As the form from the form system 23 basically only needed if the two hydraulic pumps / motors 8.1 and 8.2 run in pump mode, so if the braking of the powertrain 1 would be present, for the drive case, if the hydraulic pumps / motors 8.1 and 8.2 in engine operation and their pressure from the storage element 9 get, a corresponding coupling element can be provided. The structure shown here bypasses this by the fact that the control pump 17 can be adjusted so that these in the drive case of the drive train 1 no volume flow promotes and thus the loading engines 18 and the charge pumps 21 not be operated.
Grundsätzlich
wäre es jedoch auch denkbar, das Vordrucksystem 23 an
eine andere Antriebsquelle anzuschließen, beispielsweise
einen anderen Bereich des Antriebsstrangs, insbesondere in einem Bereich
des Getriebes 5 oder einer der Wellen 4, 6. Auch
dann wäre vorteilhaft über entsprechende Kupplungselemente
sicherzustellen, dass das Vordrucksystem 23 nur dann arbeitet,
wenn dieses auch benötigt wird, da ansonsten ein unnötiger
Leistungsbedarf und Verschleiß entstehen würde.In principle, however, it would also be conceivable to use the form pressure system 23 To connect to another drive source, for example, another area of the drive train, in particular in a region of the transmission 5 or one of the waves 4 . 6 , Even then would be advantageous to ensure via appropriate coupling elements that the form system 23 works only if this is also needed, since otherwise an unnecessary power consumption and wear would arise.
Wenn
das hydraulische System 7 nun im Bremsfall betrieben wird,
also Bremsenergie über das angetriebene Rad 2 in
den Antriebsstrang gelangt und die Kupplung 15 geschlossen
ist, so wird, wie bereits erwähnt, über die Welle 14 das
hydraulische Aggregat 8 und das Vordrucksystem 23 betrieben.
In der Leitung 22 liegt dann ein entsprechender Vordruck
des Vordrucksystems 23 an. Dieser gelangt über
die mit 11.1 bezeichneten Leitungen in den Bereich der
beiden hydraulischen Pumpen/Motoren 8.1 und 8.2,
welche in diesem Betriebszustand als Pumpen betrieben werden. Sie
verdichten das mit einem Vordruck von beispielsweise ca. 5 bis 20
bar, insbesondere über 7 bar vorliegende Arbeitsfluid auf
einen Arbeitsdruck in einer Größenordnung von
beispielsweise ca. 300–400 bar, aus wirtschaftlichen Erwägungen
insbesondere 320 bar. Das Arbeitsfluid mit diesem hohen Druck von
320 bar gelangt dann über die mit 11.2 bezeichneten
Leitungen und das mit 12.1 bezeichnete Ventil in den Bereich
des Speicherelements 9. In dem Speicherelement 9 befindet
sich ein Zylinder 24 mit einem entsprechenden beweglichen Element
beziehungsweise Kolben 25. Das Arbeitsfluid wird über
die Leitung 11.2 in den Bereich 24.1 des Zylinders 24 gedrückt
und verschiebt dadurch den Kolben 25 in Richtung des anderen
Bereichs 24.2 des Zylinders. Der Bereich 24.2 des
Zylinders ist dabei mit Gas gefüllt, so dass der Kolben 25 gegen
das Gaspolster 13 bewegt und entsprechend gespannt wird.
Dieses Gaspolster 13 bildet aufgrund seiner Kompressibilität
eine Art Feder, in welcher die Druckenergie gespeichert wird. Hierfür
sind neben dem Gaspolster in dem Zylindervolumen 24.2 entsprechende
Gasspeichereinheiten 26 vorhanden, in welchen das Gaspolster 13 durch
den Kolben 25 in dem Zylinder 24 entsprechend
verdichtet wird. Das verdichtete Gaspolster 13 speichert
somit die Druckenergie in den Gasspeichereinheiten 26.If the hydraulic system 7 is now operated in case of braking, so braking energy through the driven wheel 2 gets into the drive train and the clutch 15 is closed, then, as already mentioned, on the shaft 14 the hydraulic unit 8th and the formwork system 23 operated. In the line 22 is then a corresponding form of the form system 23 at. This gets over with 11.1 designated lines in the area of the two hydraulic pumps / motors 8.1 and 8.2 which are operated in this operating state as pumps. They compress this with a pre-pressure of, for example, about 5 to 20 bar, especially about 7 bar present working fluid to a working pressure in the order of, for example, about 300-400 bar, for economic considerations in particular 320 bar. The working fluid with this high pressure of 320 bar then passes over with 11.2 designated lines and with 12.1 designated valve in the region of the storage element 9 , In the memory element 9 there is a cylinder 24 with a corresponding movable element or piston 25 , The working fluid is piped over 11.2 in the area 24.1 of the cylinder 24 pressed and thereby displaces the piston 25 towards the other area 24.2 of the cylinder. The area 24.2 The cylinder is filled with gas, so that the piston 25 against the gas cushion 13 moved and tightened accordingly. This gas cushion 13 forms a kind of spring due to its compressibility, in which the pressure energy is stored. For this purpose, in addition to the gas cushion in the cylinder volume 24.2 corresponding gas storage units 26 present in which the gas cushion 13 through the piston 25 in the cylinder 24 is compressed accordingly. The compressed gas cushion 13 thus stores the pressure energy in the gas storage units 26 ,
Diese
Gasspeichereinheiten 26 können dabei insbesondere
als Gashochdrucktanks ausgebildet sein, wie sie aus dem Stand der
Technik bekannt sind. Derartige Gashochdrucktanks sind als flaschenförmige
Volumina ausgebildet und über geeignete Materialien, wie
beispielsweise Kohlefasern oder Metall so ausgebildet, dass in ihnen
das Gas mit sehr hohen Drücken, typischerweise bis 400,
insbesondere jedoch auch bis ca. 800 bar problemlos gespeichert
werden kann. Über ein entsprechendes Ventilelement 27 kann
das unter hohem Druck stehende Gas entsprechend eingeschlossen werden. Beim
typischen Einsatz des hydraulischen Systems 7 in einem
wechselnden Antriebs- und Bremsbetrieb wird dies typischerweise
nicht der Fall sein, so dass der Gebrauch der Ventile 27 im
Allgemeinen auf die Phase beschränkt sein wird, in der
der Antriebsstrang 1 beziehungsweise das mit ihm ausgerüstete
Fahrzeug nicht in Betrieb ist oder gewartet wird.These gas storage units 26 can be designed in particular as high-pressure gas tanks, as they are known from the prior art. Such high-pressure gas tanks are formed as bottle-shaped volumes and formed on suitable materials such as carbon fibers or metal so that in them the gas with very high pressures, typically up to 400, but especially up to 800 bar can be easily stored. About a corresponding valve element 27 The high-pressure gas can be included accordingly. Typical use of the hydraulic system 7 in an alternating drive and brake operation, this will typically not be the case, so that the use of the valves 27 In general, it will be limited to the phase in which the powertrain 1 or equipped with him vehicle is not in operation or is being serviced.
Das
Speichervolumen des Druckspeichers 9 kann einfach und effizient
durch eine Vergrößerung der Anzahl an Gasspeichereinheiten 26 und
ein Anpassen der Größe oder Anzahl der Zylinder 24 an
die entsprechenden Leistungsanforderungen des Antriebsstrangs 1 angepasst
werden. Hier sind einfach mehrere der Gasspeichereinheiten 26 parallel
geschaltet, wie dies durch die hier in 2 abgebrochen
dargestellte Verbindungslinie angedeutet ist. Für Schienenfahrzeuge
wie zum Beispiel Triebwagen für den Regionalverkehr oder
Rangierlokomotiven wird beispielsweise eine Speicherkapazität
für eine Energiemenge von ca. 2 kWh vorgesehen werden, wobei
dabei nur ca. 1–1,5 kWh in ständigen Zyklus ein-
und ausgespeichert werden. Damit verbleibt in den Druckspeicher 9 im
normalen Betrieb also immer eine gewisser Restdruck. Dieser Restdruck
kann nun als Steuerdruck für das hydraulische System verwendet
werden. Damit kann auf ein eigenes Steuerdrucksystem und auf den
dafür benötigten Energiebedarf verzichtet werden.
Neben der Energieeinsparung hat dies den Vorteil, dass das hydraulische
System somit völlig autark ausgebildet werden kann. Vor
allem bei der oben schon erwähnten Ausführung
als Nachrüstsystem ist ein solches vollkommen autarkes
System natürlich besonders günstig.The storage volume of the pressure accumulator 9 can be simple and efficient by increasing the number of gas storage units 26 and adjusting the size or number of cylinders 24 to the appropriate power requirements of the powertrain 1 be adjusted. Here are simply several of the gas storage units 26 connected in parallel, as indicated by the here in 2 aborted illustrated connecting line is indicated. For rail vehicles such as railcars for regional traffic or shunting locomotives, for example, a storage capacity for an amount of energy of about 2 kWh will be provided, while only about 1-1.5 kWh in constant cycle and be stored. This remains in the accumulator 9 In normal operation, therefore, always a certain residual pressure. This residual pressure can now be used as control pressure for the hydraulic system. This can be dispensed with an own control pressure system and the energy required for it. In addition to saving energy, this has the advantage that the hydraulic system can thus be made completely self-sufficient. Especially in the above-mentioned execution as a retrofit system such a completely self-sufficient system is of course particularly favorable.
Im
Antriebsfall des Antriebsstrangs 1 kann nun die in dem
Druckspeicher 9 zwischengespeicherte Bremsenergie wieder
zum Antrieb genutzt werden. Hierfür ist das Einspeisen
von zusätzlicher Energie beispielsweise für einen
Boostbetrieb beim Anfahren oder Beschleunigen ebenso denkbar, wie ein
entsprechender Betrieb, bei dem der Dieselmotor 3 deutlich
kleiner dimensioniert werden kann als im Stand der Technik, da für
die benötigten Leistungsspitzen die Energie aus dem hydraulischen
System 7 zur Verfügung steht. Alles in allem kann
so die Energieeffizienz des Antriebsstrangs an sich deutlich erhöht
werden, insbesondere da ein Großteil der Bremsenergie rückgespeichert
werden kann und nicht in Form von Reibungswärme verloren
geht. Dies spielt insbesondere dann eine entscheidende Rolle, wenn das
Schienenfahrzeug in einem sehr dynamischen Einsatz mit vielen Beschleunigungs-
und Bremsphasen eingesetzt wird, beispielsweise im Nahverkehr oder
zu Rangierarbeiten auf einem Rangierbahnhof. Da insbesondere Rangierlokomotiven
im Allgemeinen über Betongewichte verfügen, um über
diese Adhäsionsmassen die erforderliche Antriebsleistung
auf die Schiene zu bekommen, kann das System anstelle der Betongewichte
eingesetzt werden. Sein unvermeidbares zusätzliches Gewicht
gegenüber einem nicht hybridisierten Antriebsstrang ist
dann sogar von Vorteil. Auch für Nachrüstsysteme
ist dies vorteilhaft, da Bauraum und Gewicht der Betonteile durch
das hydraulische System ersetzt werden kann. Grundsätzlich
ist es dabei möglich, das hydraulische Aggregat 8 in
jede Drehrichtung drehen zu lassen, hierfür wäre
nur ein weiteres Ventil neben dem Ventil 12.2. notwendig,
welches hier jedoch nicht dargestellt ist. Dies erlaubt das Einbinden
des hydraulischen Systems 7 in den Antriebsstrang 1 an
einer Stelle, an der die von der Verbrennungskraftmaschine 3 kommende
Leistung bereits ein Richtungsumkehrgetriebe passiert hat.In the drive case of the drive train 1 can now in the pressure accumulator 9 cached braking energy can be used to drive again. For this purpose, the feeding of additional energy, for example, for a boost operation when starting or accelerating is just as conceivable as a corresponding operation in which the diesel engine 3 can be dimensioned significantly smaller than in the prior art, as for the required power peaks, the energy from the hydraulic system 7 is available. All in all, the energy efficiency of the powertrain per se can be significantly increased, especially since a large part of the braking energy can be stored back and not lost in the form of frictional heat. This plays a decisive role, in particular, when the rail vehicle is used in a very dynamic application with many acceleration and braking phases, for example in local traffic or for maneuvering on a marshalling yard. In particular, shunting locomotives generally have concrete weights in order to get the required drive power to the rail via these adhesive masses, the system can be used instead of the concrete weights. Its unavoidable added weight compared to a non-hybridized powertrain is even an advantage. This is also advantageous for retrofit systems because the space and weight of the concrete parts can be replaced by the hydraulic system. Basically, it is possible, the hydraulic unit 8th to turn in each direction of rotation, this would be just another valve next to the valve 12.2 , necessary, which is not shown here. This allows the integration of the hydraulic system 7 in the drive train 1 at a point where the of the internal combustion engine 3 coming power has already passed a reversing gear.
Wenn
nun Leistung für den Antriebsfall benötigt wird,
so wird diese über die Welle 14 zurück
in den eigentlichen Antriebsstrang 1 geleitet und steht dort
dann an dem oben bereits beschriebenen möglichen Punkt
zur Verfügung. Um diese Antriebsleistung durch das hydraulische
System 7 zur Verfügung zu stellen, werden bei
mit entsprechender Druckenergie befülltem Druckspeicher 9 das
Ventil 12.2 entsprechend geöffnet, während
das Ventil 12.1 im vorliegenden Beispiel selbsttätig
geschlossen wird. In dieser Situation ist kein Vordruck vom Vordrucksystem 23 mehr
erforderlich, so dass dieser durch eine entsprechende Einstellung
der Regelpumpe 17 und damit ein Außerbetriebsetzen
der Lademotoren 18 und der Ladepumpen 21 abgestellt
wird. Das unter Druck stehende Gas in dem Gaspolster 13 schiebt dann
den Kolben 25 in Richtung des Raumes 24.1. des
Zylinders 24. Über die Leitung 11.3 drückt
der Kolben 25 dann das Arbeitsfluid unter hohem Druck über
das Ventil 12.2 und die Leitungen 11.1 zu den
jeweiligen hydraulischen Pumpen/Motoren 8.1 und 8.2. Diese
werden von dem hohen Arbeitsdruck motorisch angetrieben und ihre
Antriebsleistung gelangt über das Stirnradgetriebe 16 an
den hydraulikseitigen Teil 14.2 und über die Kupplung 15 an
den antriebsseitigen Teil 14.1. der Welle 14.Now if power is needed for the drive case, this is about the shaft 14 back to the actual powertrain 1 and is then available at the possible point already described above. To this drive power through the hydraulic system 7 are available to be filled with appropriate pressure energy pressure accumulator 9 the valve 12.2 opened accordingly while the valve 12.1 closed automatically in the present example. In this situation, there is no pre-printed form 23 more needed, so this by adjusting the control pump accordingly 17 and thus a decommissioning of the loading motors 18 and the charge pumps 21 is turned off. The pressurized gas in the gas cushion 13 then push the piston 25 in the direction of the room 24.1 , of the cylinder 24 , About the line 11.3 the piston pushes 25 then the working fluid under high pressure through the valve 12.2 and the wires 11.1 to the respective hydraulic pumps / motors 8.1 and 8.2 , These are driven by the high working pressure motor and their drive power passes through the spur gear 16 to the hydraulic side part 14.2 and over the clutch 15 to the drive-side part 14.1 , the wave 14 ,
Die
beiden hydraulischen Pumpen/Motoren 8.1 und 8.2 in
dem Hydraulikaggregat 8 können dabei die gesamte
Druckdifferenz zwischen dem sehr hohen Arbeitsdruck und dem Umgebungsdruck
in dem offenen Tank 10 nutzen, so dass bei vergleichsweise geringer
Baugröße und geringem Bauvolumen eine hohe Antriebsleistung
zur Verfügung gestellt werden kann. Über die Leitungselemente 11.2 gelangt
das Arbeitsfluid dann hinter den beiden hydraulischen Pumpen/Motoren 8.1 und 8.2 über
das Ventil 12.3 und gegebenenfalls ein entsprechendes Drosselelement
(nicht dargestellt) zurück in den gegenüber der Atmosphäre
offenen Tank 10.The two hydraulic pumps / motors 8.1 and 8.2 in the hydraulic unit 8th can thereby the total pressure difference between the very high working pressure and the ambient pressure in the open tank 10 use, so that a comparatively small size and low volume, a high drive power can be provided. About the pipe elements 11.2 the working fluid then passes behind the two hydraulic pumps / motors 8.1 and 8.2 over the valve 12.3 and optionally a corresponding throttle element (not shown) back into the tank open to the atmosphere 10 ,
Das
hydraulische System 7 kann außerdem weitere Ventileinrichtungen,
Sicherheitsventile, Wartungsanschlüsse, Sensoren oder dergleichen
aufweisen. Um die Darstellung übersichtlicher zu gestalten wurde
auf derartige Elemente, ebenso verzichtet, wie auf durch einschlägige
Vorschriften vorgeschriebene Sicherheitsventile und dergleichen.The hydraulic system 7 may also include other valve devices, safety valves, service ports, sensors or the like. In order to make the presentation clearer, such elements have also been dispensed with, as well as safety valves prescribed by relevant regulations and the like.
Der
mittels des hydraulischen Systems 7 zu einem Parallelhybrid
ergänzte Antriebsstrang kann somit für die hohen
bei Schienenfahrzeugen benötigten Leistungen einen sehr
energieeffizienten Antriebsstrang realisieren, welche von vorne
herein bei neuen Schienenfahrzeugen eingeplante werden kann, welcher
jedoch auch einfach in bestehenden Schienenfahrzeugen nachgerüstet
werden kann.The by means of the hydraulic system 7 To a parallel hybrid supplemented powertrain can thus realize the high required for rail vehicles services a very energy efficient powertrain, which can be planned from the outset in new rail vehicles, which, however, can also be easily retrofitted in existing rail vehicles.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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A1 [0002] DE 102005060995 A1 [0002]
-
- DE 102005060992 A1 [0002] - DE 102005060992 A1 [0002]