DE2900519A1

DE2900519A1 - Hybrides schwungrad druckfluid-antriebssystem

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Publication number: DE2900519A1
Application number: DE19792900519
Authority: DE
Inventors: George Chiayou Dr Yeh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-01-09
Filing date: 1979-01-08
Publication date: 1979-07-12
Also published as: US4163367A; GB2012691B; CA1126035A; JPS54102720A; GB2012691A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Hybrid-Äntriebssysteme für nicht-stationäre Anwendungen, etwa für Fahrzeuge, landwirtschaftliche Maschinen, Schiffe und dergleichen, und betrifft insbesondere die Anpassung eines mit Schwungrad und Druckfluid arbeitenden Hybrid-Antriebssystems als Kraftantrieb für nicht-stationäre Anwendungen. Als Energiespeichermediuin für Antriebsenergiewandler, etwa als Antriebsaggregate in Industriebetrieben eingesetzte Turbinen, wird seit vielen Jahrzehnten mit Druckfluiden, etwa mit Druckluft, gearbeitet. In verschiedenen Industriezweigen sind zwar viele erfolgreiche stationäre Anwendungen von Druckluft-Turbinen anzutreffen? dagegen wird in der Literatur über nichtstationäre Anwendungen dieser Turbinenart nur sehr wenig berichtet, was daher kommt, daß das begrenzte Energiespeichervermögen eines Druckfluids, das in einem beschränkten Arbeitsbereich resultiert, seine Anwendung unzweckmäßigmacht oder aus wirtschaftlichen Gründen ausschließt.

Hinsichtlich der Baumaterialien und Konstruktionen von Hochdruckbehältern sind kürzlich erhebliche Fortschritte gemacht worden. Auch Hochdruckkompressoren sind im Laufe der Jahre weitgehend verbessert worden. Daher ist es jetzt praktisch möglich, ein Druckfluid bei Drucken über 215 bar zu erzeugen und zu speichern. Hochdruckbehälter und -kompressoren sind wegen der verbesserten Baumaterialien und fortgeschrittenen Konstruktionen heute leichter und kompakter als vor zwanzig Jahren. Dennoch steht bei Verwendung in nichtstationären Anwendungen, etwa als Fahrzeugantrieb, nur ein geringer Vorrat an Energie eines Druckfluids zur Verfügung. Daher ist es erforderlich, jede praktische Möglichkeit auszunutzen, diesen begrenzten Energievorrat maximal zu nutzen, soweit sie heute für nicht-stationäre Anwendungen zur Verfügung steht.

Trotz des begrenzten Energievorrates bildet ein

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Druckfluid insbesondere bei Verwendung von Druckluft ein attraktives Energiespeichermedium für Fahrzeuge, da es gegenüber anderen verfügbaren Energiespeichermedien eine Reihe von Vorteilen aufweist. Zu diesen Vorteilen gehören/ daß es

(1) tatsächlich keinerlei Umweltverschmutzung bewirkt;

(2) mit dem unbegrenzten Vorrat an Luft arbeitet;

(3) einen hohen Energie-Wirkungsgrad gestattet;

(4) die Bremsenergie im wesentlichen zurückgewinnen kann;

(5) eine geringere Anzahl an bewegenden Teilen weniger Wartung erfordert;

(6) lange Lebensdauer ermöglicht;

(7) rasche Wiederaufladung gestattet usw.

Der Verbrauch bei Fahrzeugen läßt sich zwar durch Verwendung leichterer Materialien und besserer Konstruktionen verringern, richtet sich jedoch immer noch nach der in dem Druckfluid gespeicherten Energie sowie nach der Art der Benutzung des Fahrzeugs. Der Verbrauch eines Fahrzeuges, das durch ein Druckfluid-Antriebssystem betrieben wird, hängt stark von zahlreichen Faktoren ab, die in zwei Hauptkategorien fallen. Die erste Kategorie betrifft das Druckfluid selbst und enthält den Anfangsdruck, die Temperatur, das Volumen und ähnliche Faktoren. Die zweite Kategorie betrifft die Art und Weise, auf die das Fahrzeug benutzt wird, und umfaßt das Gesamtgewicht des Fahrzeugs, die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Anzahl von Anfahr- und Anhaltevorgängen je Betriebszyklus, die Beschleunigung, die Windbedingungen, den Zustand der Straßenoberfläche sowie die Abweichungen von einer mittleren Fahrtroute. Generell macht eine erhöhte Leistung in diesen Betriebskategorien höhere Fluiddrucke und -durchsätze erforderlich, was dazu führt, daß für die Fahrt weniger Gesamtenergie verfügbar ist.

Gemäß den Ergebnissen von Untersuchungen, die der Erfinder durchgeführt hat, bildet das Erfordernis, in den oben

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angegebenen Betriebskategorien Spitzenenergien aus dem mit Druckfluid arbeitenden Antriebssystem herauszuholen, einen Kernpunkt zur Verringerung des Energieverbrauchs des Fahrzeugs. Die Ergebnisse zeigen auch, daß nach Erreichen der Höchstgeschwindigkeit der Energiebedarf des Fahrzeugs zur Aufrechterhaltung dieser Geschwindigkeit etwa ein Viertel des Spitzenwertes beträgt. Wird an diesem Punkt des Betriebszyklus die Fahrzeuggeschwindigkeit konstant gehalten, so ist der Energiebedarf des Fahrzeugs im wesentlichen gleich den Verlusten, die der Expandiereinrichtung, dem Getriebe, dem Strömungswiderstand und dem Rollwiderstand der Reifen zuzuschreiben sind. Die Überlegungen des Erfinders haben weiter ergeben, daß der Spitzen-Energiebedarf bei der Fahrzeugbeschleunigung den für die eigentliche Fahrt zur Verfügung stehenden Energievorrat des Druckfluids stark reduziert. Daher kommt es darauf an, ein System vorzusehen, das es gestattet, derartige Spitzen-Energieaufnahme in dem für den Fahrzeugantrieb verwendeten, mit Fluidkompression arbeitenden Antriebssystem zu vermeiden. Ferner hat sich gezeigt, daß ein zweiter Kernpunkt zur Verringerung des Verbrauchs des Fahrzeugs darin besteht, die Bremsenergie bei Verzögerung des Fahrzeugs zurückzugewinnen. Ohne Zurückgewinnungssystem geht die durch das Antriebssystem, etwa eine Druckluftturbine, erzeugte kinetische Energie bei Verzögerungen teilweise im Reibungs-Bremssystem als Wärme und teilweise in dem Rollwiderstand und Strömungswiderstand verloren;

Der Erfindung liegt die generelle Aufgabe zugrunde, Nachteile, wie sie bei vergleichbaren Antriebssystemen nach dem Stand der Technik bestehen, mindestens teilweise zu beseitigen. Eine speziellere Aufgabe der Erfindung kann darin gesehen werden, ein mit Druckfluid, etwa Druckluft, arbeitendes Antriebssystem für nicht-stationäre Anwendungen, insbesondere als Fahrzeugantrieb durch Kombination mit einer sekundären Energiequelle zu schaffen, die in der Lage ist,

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die in dem Druckfluid-Antriebssysteiti während der Beschleunigung verbrauchte Spitzenenergie zu verringern und die Bremsenergie während der Verzögerung zurückzugewinnen .

Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, ein Antriebssystem für nicht-stationäre Anwendungen, insbesondere als Fahrzeugantrieb, zu schaffen, das

(1) vollständig ohne Umweltverschmutzung arbeitet;

(2) mit Energiespeichermedien arbeitet, die eine rasche Wiederaufladung gestatten;

(3) eine Rückgewinnung der Bremsenergie vermittelt und mit hohem Energie-Wirkungsgrad arbeitet;

(4) wenig Wartung erfordert und eine lange Lebensdauer aufweist usw.

Zu diesem Zweck wird ein geeignetes mit einem Druckfluid, vorzugsweise mit Druckluft, arbeitendes Antriebssystem in Zusammenwirkung mit einer Expandier/Kompressions-Einheit mit einem Energie rückgewinnenden Schwungradsystem kombiniert, das die bei der Fahrzeugbeschleunigung erforderlichen Energiespitzen liefert und während der Fahrzeugverzögerung die Bremsenergie zurückgewinnt. Die Bremsenergie kann auch mittels der Expandier/Kompressions-Einheit zurückgewonnen werden, die in diesem Fall unter Verwendung der über das Getriebe des Fahrzeugs auf die Welle übertragenen Energie als Kompressor arbeitet und die atmosphärische Luft komprimiert, die in einem Behälter gespeichert wird, so daß sie zusammen mit der ursprünglichen Druckluftversorgung des Fahrzeugs verwendet werden kann, um die Expansionsarbeit in der Expandier/Kompressions-Einheit zur Erzeugung der von der Welle auf das Fahrzeuggetriebe übertragenen Energie auszuführen.

Ein mit Schwungrad und Druckfluid arbeitendes Hybrid-Antriebssystem führt nicht-stationäre Anwendungen, etwa als Fahrzeugantrieb, ist in der dem Erfinder bekannten Literatur nirgends beschrieben.

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Die von dem Erfinder durchgeführten anfänglichen Untersuchungen zeigen, daß sich durch Verwendung des im folgenden beschriebenen Antriebssystem mit Schwungrad- und Druckl.uft-Energierückgewinnung etwa 75 bis 90% der Bremsenergie rückgewinnen lassen. Die Untersuchungen zeigen ferner, daß sich bei zweimaligem Anhalten pro Kilometer der Verbrauch eines mit Druckluft betriebenen Fahrzeugs, das mit einer mittleren Geschwindigkeit von 80 km/h fährt, durch Verwendung des hier beschriebenen Energierückgewinnungssystems halbieren läßt, wobei angenommen wird, daß sowohl die Expandier/Kompressions-Einheit als auch das Schwungrad einen mechanischen Wirkungsgrad von 90% aufweisen.

Zusammengefaßt wird also ein Hybrid-Antriebssystem für nicht-stationäre Anwendungen, etwa als Fahrzeugantrieb, geschaffen, das eine mit einem Druckfluid, etwa Druckluft, betriebene Turbine in Kombination mit einem Schwungrad aufweist. Dieses Antriebssystem erfordert ein nicht-verschmutzendes Fluid, etwa Luft, sowie eine mechanische oder elektrische Energiequelle zum Verdichten des Fluids und zur Beaufschlagung des Schwungrades, wobei sowohl das Fluid als auch das Schwungrad als Energiespeichermedien arbeiten. Dabei dient eine Expandier/Kompressions-Einheit, etwa eine Turbine, dazu, die in dem Druckfluid gespeicherte Energie . durch Expandieren des Fluids in Antriebsenergie unzuwandeln und bei Fahrzeugverzögerungen die Bremsenergie zurückzugewinnen und atmosphärische Luft zu speichern (falls mit Luft gearbeitet wird). Das Schwungrad dient nicht nur dazu, die während der Fahrzeugbeschleunxgung erforderliche Spitzenleistung zur Verfügung zu stellen, sondern auch zur Rückgewinnung der Bremsenergie während der Fahrzeugbeschleunigung sowie zur Auffüllung des Druckfluids im Notfall. Dieses Antriebssystem ist also in der Lage, den unbegrenzten Vorrat an Luft als primäres Energiespeichermedium sowie das Schwungrad als sekundäres Energiespeichermedium zu verwen-

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den. Ein solches Antriebssystem arbeitet nicht nur mit Energierückgewinnung, sondern gestattet auch rasche Aufladung. Es weist daher einen hohen Energiewirkungsgrad und ein breites Anwendungsgebiet auf.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, in der Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines mit Schwungrad und Druckluft arbeitenden Hybrid-Antriebssystems zeigt, während

Fig. 2 ein Blockschaltbild für einen typischen.

Einbau eines derartigen Antriebssystems in einer nicht-stationären Anwendung veranschaulicht.

Gemäß Fig. 1 weist ein Hochdruckbehälter 1 einen mit einem Steuerventil 30 versehenen Einlaß 3 zur Aufnahme eines anfänglichen Vorrates an Druckluft bei maximalem Druck auf. Der maximale Luftdruck läßt sich mit Hilfe eines Entlastungsventils 10 und eines Druckmessers 8 regulieren. Die Lufttemperatur innerhalb des Behälters kann durch elektrische Erwärmung der Luft mittels einer elektrischen Heizeinrichtung 15 gesteuert werden, wobei ein Thermometer 17 die Temperatur der in dem Behälter 1 enthaltenen Luft anzeigt.

Während der Fahrzeugbeschleunigung wird über einen Auslaß 5, eine Steuerventil/Druckregler-Einheit 6 und ein Dreiwegeventil 24 Druckluft mit gewünschtem Druck und Durchsatz aus dem Behälter 1 abgegeben, die durch einen Hochdruck-Lufteinlaß 24 in eine Expandier/Kompressions-Einheit 25 strömt. Zur Fahrzeugbeschleunigung arbeitet diese Expandier/Kompressions-Einheit 25 als Expandiereinrichtung zur Umwandlung der mit der Druckluft ausgeführten Expansionsarbeit in Antriebsenergie, die zum Antrieb der Räder 29 auf eine Getriebe/Differential-Einheit 28 übertragen wird. Aus der Expandier/Kompressions-

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Einheit 25 tritt die expandierte Luft durch einen Niederdruck-Luftauslaß 27 an die Atmosphäre aus.

Während der Fahrzeugverzögerung wird die kinetische Energie des Fahrzeugs über die Räder 29 und die Getriebe/ Differential-Einheit 28 auf die Expandier/Kompressions-Einheit 25 übertragen, so daß die Einheit 25 nun atmosphärische Luft über ihren Niederdruck-Lufteinlaß 27 ansaugt, der - wie oben beschrieben- während der Fahrzeugbeschleunigung als Niederdruck-Luftauslaß arbeitet. Die angesaugte Luft wird verdichtet und über den Hochdruck-Luftauslaß 26, der - wie ebenfalls oben beschrieben während der Fahrzeugbeschleunigung als Hochdruck-Lufteinlaß arbeitet, abgegeben. Die somit neu erzeugte Druckluft gelangt über das Dreiwegeventil 24, eine Steuerventil/Druckreglereinheit 7 und einen Lufteinlaß 4 in einen Niederdruckbehälter 2. Der Behälter 2 dient dabei zur Speicherung der von der Expandier/Kompressions-Einheit erzeugten Druckluft, wobei diese Einheit 25 während der Verzögerung oder bei einer Not-Auffüllung als Kompressor arbeitet. Infolge der Begrenzung des maximalen Luftdrucks, der sich von der als Kompressor arbeitenden Expandier/ Kompressions-Einheit 25 erzielen läßt, liegt dieser Luftdruck normalerweise unterhalb des anfänglichen Luftdrucks in dem Behälter 1. Ähnlich wie der Behälter 1 hat auch der Behälter 2 ein Entlastungsventil 11, einen Druckmesser 9, eine elektrische Heizeinrichtung 16 und ein Thermometer 18 zur Steuerung von Luftdruck und Temperatur innerhalb des Behälters 2.

Die für die beiden elektrischen Heizeinrichtungen 15 und 16 erforderliche Energie wird von einer Batterie 19 geliefert, die von einer Lichtmaschine 21 konstant aufgeladen wird. Die Lichtmaschine 21 ist Teil einer Einheit 31, die außerdem einen Wechselstrommotor 20 und ein Schwungrad 22 umfaßt.

Die Einheit 31 hat mehrere verschiedene Funktionen.

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Sie kann unter Verwendung des Wechselstrommotors 20 beaufschlagt werden oder unter Verwendung der von der Getriebe/Differential-Einheit 28 über eine Kupplungs/Getriebe-Einheit 23 während der Fahrzeugverzögerung auf das Schwungrad 22 übertragenen Antriebsleistung elektrische Energie zurückgewinnen und für die während der Fahrzeugbeschleunigung erforderliche Spitzenleistung speichern. Die Einheit 31 treibt ferner die Lichtmaschine 21 zur Ladung der Batterie 19, die die elektrische Energiequelle für sämtliche elektrischen Einrichtungen, Instrumente und elektrisch betriebenen Steuerungen bildet. Die Einheit 31 kann ferner über den Wechselstrommotor 20 betrieben werden, wobei die Antriebsleistung auf die als Kompressor arbeitende Expandier/Koinpressions-Einheit 25 übertragen wird, um den Druckbehälter 1 und/oder den Druckbehälter 2 über ihre jeweiligen Lufteinlässe 4 bzw. 5 aufzufüllen, wobei die Ventile 6,7 und 24 entsprechend gesteuert werden.

Die beiden Druckbehälter 1 und 2 können ferner mit öffnungen 12 bzw. 14 versehen sein, wobei ein Ventil 13 dazu dienen kann, bei Bedarf Druckluft aus einem Behälter in den anderen zu überführen.

Sämtliche zum Betrieb des Fahrzeugs erforderlichen elektrischen, mechanischen und manuellen Steuerungen sind in einem Fahrzeugsteuersystem 32 enthalten. Während Druck, Temperatur und Durchsatz der Druckluft vorzugsweise automatisch gesteuert werden, erfolgt die Steuerung der Einheiten 23,25,28 und 31 je nach dem speziellen Anwendungsfall automatisch oder manuell.

Es wird darauf hingewiesen, daß das hier beschriebene Nutzbremssystem nicht nur Energie zurückgewinnt und speichert, sondern auch das bei herkömmlichen Fahrzeugantrieben üblicherweise verwendete Friktions-Bremssystem entlastet oder erübrigt.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Einbau des hier beschrie-

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benen Hybrid-Antriebssystems umfaßt die Gesamtanlage fünf Teilsysteme, deren jedes Funktionen einer speziellen Kategorie hat. Ein Druckfluid-Behältersystem 41 weist dabei Hochdruckbehälter sowie sämtliche zur Regelung von Druck, Temperatur und Durchsatz des Druckfluidums in und aus einem Expandier/Kompressions-System 42 erforderlichen Untersysteme auf. Bei dem verwendeten Expandier/Kompressions-System kann es sich um ein Axialströmungs-System, ein Radialströmungs-System, ein Zentrifugalsystem oder ein Kolbensystem handeln. Es kann dabei entweder eine einzige Stufe oder mehrere Stufen mit mehr als einem Einlaß und mehr als einem Auslaß aufweisen. Bei Bedarf kann dieses System einen separaten Kompressor zum Verdichten der atmosphärischen Luft bei der Rückgewinnung der Bremsenergie oder bei Not-Auffüllung der Behälter umfassen. Das System 42 ist dabei mit allen zur Steuerung von Durchsatz und Druck des expandierten oder komprimierten Fluids erforderlichen Einrichtungen versehen. Zur übertragung der Antriebsleistung über ein Getriebe/Differential-System 43 auf die anzutreibende Last umfaßt es eine mechanische Verbindung mit dem System 43, bei der es sich im Falle eines Fahrzeugs um ein Getriebe handelt. Das ferner vorgesehene Schwungrad/Motor/Lichtmaschinen-System 44 weist normalerweise eine Kupplung und ein Getriebe zur Übertragung der Antriebsleistung zwischen dem System 44 und dem Expandier/Kompressions-System 42 oder dem Getriebe/Differential-System 43 mit gewünschter übersetzung auf. Das System 44 umfaßt normalerweise einen Wechselstrommotor zum Antrieb des Schwungrades bei Not-Auffüllung der Druckfluid-Behälter. Ferner weist das System 44 eine Lichtmaschine zur Erzeugung der elektrischen Energie auf, die erforderlich ist, um sämtliche elektrischen Geräte, Instrumente und Steuerungen zu betreiben, wie sie in dem speziellen nicht-stationären Anwendungsfall benutzt werden. Die mechanische Verbindung zwischen dem Schwungrad/

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Motor/Lichtmaschinen-System 44 und dem Getriebe/Differential-System 43 kann über die in dem System 44 enthaltene Kupplung hergestellt oder aufgehoben werden. Auf diese Weise kann das Schwungrad jeweils eine von mehreren Funktionen erfüllen, wie dies bereits oben anhand von Fig. 1 erläutert worden ist. Ein weiterhin noch vorgesehenes Steuersystem 45 enthält sämtliche automatischen und manuellen Steuerungen, die für den speziellen nicht-stationären Anwendungsfall benötigt werden. Die jeweiligen Typen der Geräte, Instrumente, Steuerungen und sonstigen ünterkomponenten, die die Funktionen der Systeme 41 bis 45 ausführen sollen, sind bekannt und stehen ohne weiteres zur Verfügung.

Da die Verwendung eines Schwungrades als Mittel zur Energiespeicherung und zum Antrieb einer Welle nicht so ■ üblich ist wie die Verwendung einer Druckluftturbine, die in den verschiedenen Industriezweigen benutzt wird, seit es Luftkompressoren gibt, sollen im folgenden verschiedene wichtige Aspekte hinsichtlich des Aufbaus und der Arbeitsweise des hier beschriebenen Schwungrades kurz diskutiert werden.

Die in einem Schwungrad gespeicherte Energie ist zwar proportional zum Quadrat der Drehzahl, das theoretische Maximum der spezifischen Energie (E/W)max eines Schwungrades bestimmt sich jedoch aus dem Verhältnis Festigkeit/Dichte des Schwungradmaterials. Für die auf das Gewicht bezogene spezifische Energie kann folgende Beziehung verwendet werden:

(E/W) max [kJ/kg] = Kw - σ [kPa] / δ | kg/m³] _; wobei σ und δ die Spannung bzw. Dichte des Schwungrad-Materials bedeuten, während Kw eine Konstante ist, die den Wirkungsgrad angibt, mit dem die Festigkeit des Materials durch die jeweilige Konstruktion ausgenützt wird, und die dann maximal ist, wenn die Spannung gleichmäßig verteilt ist. Bei optimalem Aufbau und isotropem Material

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sind radiale und tangentiale Spannungen gleich und gleichmäßig, und die Konstante Kw nähert sich dem Wert 1„ Bei einem realistischen Aufbau sind bezüglich der Energie pro Gewichtseinheit gewisse Opfer zu bringen, um den Platzbedarf und damit Gewicht und Kosten einer Sicherheitsabschirmung sowie einer Gas- oder Vakuumfüllung zu verringern. Das theoretische Maximum der spezifischen Energie des Schwungrades läßt sich auch ausdrücken als das Maximum der gespeicherten Energie pro Volumeneinheit des die maximale axiale Höhe und maximale radiale Abmessung des Schwungrades umschließenden Zylinders. Diese auf das Volumen bezogene spezifische Energie läßt sich ausdrücken als

(E/V) max £kJ/m³j = Kv · σ CkPaJ; wobei Kv der Wirkungsgrad ist, mit dem die jeweilige Bauform das genannte Zylindervolumen ausfüllt und die Festigkeit des Materials des Schwungrades ausgenützt wird. Bei einem Schwungrad-Material gleichmäßiger Dichte ist-Kv gleich Kw mal dem von dem Schwungrad ausgefüllten Teil des Zylindervolumens.

Wie oben erörtert, hängt die Kapazität eines Schwungradsystems als Energiespeichermedium von dem Verhältnis Festigkeit/Dichte sowie von der Festigkeit des Schwungradmaterials ab. Die Spannung, die in dem Material tatsächlich ausgenutzt werden kann, liegt dabei unter den im Labor erzielten Höchstwerten, da Strukturfehler in dem Material vorliegen können und/oder infolge zyklischer Belastung entstehen können und/oder da eine Ermüdung bei Dauerbeanspruchung des Schwungrades auftreten kann. Die anwendbare Spannung und die resultierende Energiespeicherdichte hängen also nicht nur vom Aufbau und vom verwendeten Material sondern auch von der Homogenität der Eigenschaften des Schwungradmaterials ab. Die für das Schwungrad verwendeten Baustoffe lassen sich in zwei Kategorien einteilen, nämlich isotrope Materialien und unidirektionale Verbundmaterialien.

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Zu den am häufigsten verwendeten Materialien gehören Metalle, Legierungen, Glas, Graphit, Kunststoffe, faserverstärkte Verbundmaterialien und dergleichen.

Ein vollständiges Schwungradsystem besteht außer dem Schwungrad selbst aus verschiedenen üntersystemen. Die hauptsächlichen Untersysteme sind: das Gehäuse, Lager, Dichtungen, eine Vakuumpumpe (zur Minimierung von Luftwiderstandsverlusten) sowie ein Haltering (falls erforderlich) .

Ein Teil der in einem Schwungrad gespeicherten kinetischen Energie ist aufgrund interner Verluste oder infolge von Zwängen, die ihm von anderen Systemteilen auferlegt werden, generell nicht zurückgewinnbar. Zu den internen Verlustquellen gehören Luftwiderstandsverluste, Lager- und Dichtungsreibung, die von der Vakuumpumpe benötigte Leistung sowie Unzulänglichkeiten im Motor und Getriebe (falls solche verwendet werden). Zu diesen Zwängen gehören normalerweise die maximal erzielbare Drehzahl sowie die Mindestdrehzahl, bei der die erforderliche Energie abgegeben werden kann, was auf der Beschränkung des maximal zulässigen Drehmoments durch Scherspannungen in dem Schwungradsystem beruht. Die internen Verluste bilden die Quelle von Leerlaufverlusten eines Schwungradsystems . Sowohl die LeerlaufVerluste als auch die Systemzwänge beeinflussen die Drehzahl, die ihrerseits das Energieniveau des Schwungradsystems bestimmt. Ergebnisse von Untersuchungen, die der Erfinder und andere angestellt haben, zeigen, daß das Energieniveau und die Lebensdauer von Schwungrädern die entsprechenden Werte gewöhnlicher Batteriesysteme bei weitem übertreffen.

In den folgenden Veröffentlichungen sind viele historische und moderne Anwendungen* von Schwungrädern beschrieben:

R.C.Clark, Trans. SAE 72^,508, (1964) ; D.W. Rabenhorst, Preprints, ACS Division of Fuel Chemistry, JJ9 (6) ,

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162-171 (Sept.1974); and D.W. Rabenhorst and R.I. R.I. Taylor, Johns Hopkins Report TG 1229 (Dec.1973). In der Literatur finden sich auch zahlreiche Berichte über Untersuchungen, die an verschiedenen wichtigen Aspekten von Schwungrädern gemacht worden sind.

Vorstehend ist ein mit Schwungrad und Druckfluid arbeitendes hybrides Antriebssystem für nicht-stationäre Anwendungen, etwa als Fahrzeugantrieb, beschrieben worden, das eine Energie-Rückgewinnung und rasche Aufladung gestattet und ohne Umweltverschmutzung arbeitet, das die Verwendung des unbegrenzten Vorrates an Luft als Arbeitsfluid gestattet and keinerlei Kraftstoffe benötigt. Dieses Hybrid-Antriebssystem hat Wirkungen und Leistungseigenschaften, die von denen herkömmlicher Schwungrad-Energiesysteme oder herkömmlicher Druckluft-Antriebssysteme völlig verschieden sind, wie dies aus der obigen Diskussion hervorgehen dürfte. Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist zwar Luft als Arbeitsfluid zur Anwendung bei einem Fahrzeugantrieb beschrieben worden ; ersichtlich fallen jedoch in den Rahmen der Erfindung zahlreiche Varianten und andere Anwendungen, was anhand der typischen Anwendung nach Fig. 2 als Beispiel dargestellt ist. Zum Aufbau der Hochdruck-Behälter und des Schwungrades mit Hochleistungs-Eigenschaften stehen dabei heute verschiedene verbesserte und leichte Materialien zur Verfügung, wie etwa faserverstärkte Verbundmaterialien. Mit diesen verbesserten Materialien lassen sich Hochdruckbehälter und Schwungräder wirtschaftlich herstellen, die Betriebsbeanspruchungen von über mehreren tausend bar aushalten. Aus diesen Materialien lassen sich ferner Schwungräder bauen, die bis hinauf zu eine Million Betriebszyklen gestatten. Hochdruck-Kompressoren lassen sich ohne weiteres in übers Land verteilten Tankstellen und Parkplätzen installieren, so daß eine rasche Wiederauffüllung der in derartigen Fahrzeugen vorhandenen Druckluft-Behälter erfolgen kann,

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sooft dies nötig ist. Zur Ergänzung bei Fahrten über weite Strecken kann ein kleiner durch eine Brennkraftmaschine beaufschlagter Kompressor mitgeführt oder in dem Fahrzeug installiert sein, um die Druckluft-Behälter wieder aufzufüllen, sooft und wo immer dies nötig ist. Das in dem Fahrzeug mitgeführte Druckfluid, etwa Druckluft, kann dabei teilweise auch zur Erzeugung von KaIt- und Warmluftströmungen unter Verwendung eines Wirbelrohres benützt werden, um den Innenraum des Fahrzeugs zur Steigerung des Komforts für die Passagiere zu kühlen oder zu beheizen. Es ist heutzutage möglich, Fahrzeuge derart zu entwerfen und zu bauen, durch Verkleinerung des Querschnittes und des Strömungskoeffizienten geringere aerodynamische Verluste gewährleisten, durch Verwendung leistungsfähigerer Lager und Getriebe geringere Reibungsverluste sowie durch Verwendung von Radialreifen geringere Rollwiderstände aufweisen. Alle diese Faktoren wirken sich natürlich auf eine Verrin-. gerung des Verbrauchs an Druckluft pro gefahrener Strekke aus.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung für alle nicht-stationären Anwendungen bestimmt und verwendbar ist. Als Energiespeichermedium kann dabei jedes beliebige nicht-verschmutzende Fluid, zur Erzeugung und Wiedergewinnung von Antriebsleistung jede beliebige Expandier- oder Kompressionseinrichtung und zur Speicherung und Wiedergewinnung von Antriebsleistung jedes beliebige Schwungrad verwendet werden. Bei Bedarf kann die Erfindung ferner in Verbindung mit einem anderen Antriebssystem eingesetzt werden. Gerade die Kombination eines Druckfluid-Antriebssystems mit einem eine Energierückgewinnung gestattenden Schwungrad-Antriebssystem erbringt die gewünschten Wirkungen und Eigenschaften, die bei herkömmlichen reinen Druckfluid-Antriebssystemen oder herkömmlichen reinen Schwungrad-Antriebssystemen fehlen.

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Claims

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Dr.
George Chiayou Yeh
DA-5760
8. Januar 1979

HYBRIDES SCHWUNGRAD/DRUCKFLUID-ANTRIEBSSYSTEM

Patentansprüche

1 .J Hybrides Schwungrad/Druckfluid-Antriebssystem für ein eigengetriebenes Fahrzeug, gekennzeichnet durch

(A) eine Antriebswelle zum Abtrieb des Fahrzeugs; (B) einen mit der Antriebswelle verbundenen und mit einem komprimierbaren Arbeitsfluid arbeitenden Energiewandler (25), der bei Beaufschlagung mit dem komprimierten Arbeitsfluid dieses expandiert und Energie zur Übertragung auf die Antriebswelle erzeugt;
(C) einen Primärbehälter (1) zur Speicherung des Arbeitsfluids

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im komprimierten Zustand;

(D) eine erste Leitung zur Verbindung des Primärbehälters (1) mit dem Energiewandler (25) zur Zuführung des komprimierten Arbeitsfluids an den Energiewandler (25);

(E) ein erstes Ventil (6) zur Unterbrechung der ersten Leitung und zur selektiven Steuerung der Strömung des komprimierten Arbeitsfluids zu dem Energiewandler (25); und

(F) ein unabhängig von dem Energiewandler (25) mit der Antriebswelle selektiv an- und auskuppelbar verbundenes Schwungrad (22).

2. Antriebssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zusätzliche separate Antriebseinrichtung (20) zum selektiven und unabhängigen Antrieb des Schwungrades (22) .

3. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen mit dem Schwungrad (22) verbundenen Generator (21) zur Erzeugung elektrischer Energie, sowie eine wiederaufladbare Batterie (19) zur Speicherung dieser elektrischen Energie.

4. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichn et, daß der Energie-

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wandler (25) bei Antrieb durch die Antriebswelle und Beaufschlagung mit dem Arbeitsfluid im nicht-komprimierten Zustand dieses Arbeitsfluid unter Umwandlung der von der Antriebswelle zugeführten Energie in Kompressionsarbeit komprimiert.

5. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4_# gekennzeichnet durch

(G) einen Sekundärbehälter (2) zur Speicherung des Arbeitsfluids im komprimierten Zustand;

(H) eine zweite Leitung zur Verbindung des Sekundärbehälters (2) mit dem Energiewandler (25) und zur überführung von komprimiertem Arbeitsfluid zwischen dem Energiewandler (25) und dem Sekundärbehälter (2) ;

(I) ein zweites Ventil (7) zur Unterbrechung der zweiten Leitung und zur selektiven Steuerung der Strömung von komprimiertem Arbeitsfluid durch die zweite Leitung; und

(J) ein drittes Ventil (24) zur selektiven Verbindung der ersten Leitung bzw. der zweiten Leitung mit dem Energiewandler (25).

6. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ge· kennzeichn et durch eine Einrichtung (15,16,

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17,18) zur Erwärmung und Steuerung der Temperatur des Arbeitsfluids in mindestens einem der Behälter (1,2).

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