Steigerung der Energieeffizienz in der Arbeitshydraulik mobiler Maschinen (STEAM)

  Bagger und Kipper Urheberrecht: ifas

Schwankende Kraftstoffpreise, strengere Abgasvorschriften und ein steigendes Umweltbewusstsein führen zu einem wachsenden Interesse an hocheffizienten mobilen Maschinen. In Abhängigkeit des Lastzyklus weisen die heutigen Maschinen teilweise Gesamtwirkungsgrade von weniger als 10 % auf, so dass nur ein Bruchteil der im Brennstoff enthaltenen Energie tatsächlich in mechanische Leistung umgewandelt wird. Der niedrige Wirkungsgrad wird hauptsächlich durch den ineffizienten Betrieb des Verbrennungsmotors und die Drosselverluste im Hydrauliksystem verursacht. Um dieses Problem zu lösen, haben eine Reihe von Forschungseinrichtungen und Unternehmen viel Zeit und Geld in die Entwicklung besserer Systeme investiert. Die einfachste und daher beliebteste Lösung war die alleinige Optimierung der Hydraulik. Ein solcher Ansatz führt zu einigen Verbesserungen, vernachlässigt aber leider die Bedeutung des Motors und damit die Effizienz der gesamten Maschine. Um ein wirklich effizientes System zu entwickeln, ist es notwendig, die Maschine als Ganzes zu betrachten, d.h. die einzelnen Subsysteme und ihre Wechselwirkungen untereinander und mit der Umgebung.

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Forschungsansatz

Das ifas entwickelte daher das STEAM-Hydrauliksystem für Bagger. STEAM stellt den ersten ganzheitlichen Ansatz dar, um sowohl die Energieeffizienz als auch die Leistung mobiler Maschinen zu optimieren. Im Gegensatz zu den heutigen Load Sensing- oder Open Center-Systemen nutzt das STEAM-Konzept den Motor und die Pumpe nicht, um die Antriebe direkt zu versorgen, sondern um das Druckniveau in zwei separaten Hydraulikspeichern (Hoch- und Mitteldruck) aufrechtzuerhalten. Mit dieser Speicherladeschaltung ist es möglich, die hydraulischen Antriebe der Maschine vollständig von Motor und Pumpe zu entkoppeln, so dass diese Komponenten wesentlich effizienter arbeiten können. Damit kann ein Betrieb des Motors bei einer deutlich niedrigeren und leiseren Drehzahl von 1200 U/min realisiert, Drosselverluste reduziert als auch die Rückgewinnung potentieller und kinetischer Energie von allen Antrieben umgesetzt werden. Folglich kann die Maschine als hydraulischer Hybrid bezeichnet werden.

  Schaltplan Prototyp Urheberrecht: ifas Schaltplan des Prototyps mit paralleler Installation des Referenz- (Load Sensing) und des STEAM-Systems

Prototyp

Eines der Hauptziele des Projekts war es, die Lücke zwischen universitärer Forschung und industrieller Anwendung zu schließen. Im Rahmen eines öffentlich geförderten Projekts und in Zusammenarbeit mit Volvo Construction Equipment wurde ein einzigartiger Prototyp mit einem Standard-Load Sensing-System und STEAM entwickelt. Beide Systeme parallel auf derselben Maschine zu installieren, minimiert Faktoren, welche Messergebnisse verfälschen könnten, und ermöglicht so einen objektiven Vergleich.

 

Ergebnisse der Feldtests

Der bedeutendste Test, der durchgeführt wurde, war ein aggressiver 90° LKW-Ladezyklus, wie im Titelbild dargestellt. Während des Zyklus sind bis auf den Fahrantrieb alle Antriebe der Maschine aktiv. Der Ladevorgang wurde 15 Mal wiederholt, wobei ca. 14 t Kies bewegt und auf die Ladefläche des LKWs geschüttet wurden. Dieser Zyklus ist ideal für ein Hybrid-System mit Hydraulikspeichern geeignet. Beim Anheben des Auslegers und Schwenken zum LKW wird die in den Speichern gespeicherte Energie zur Unterstützung von Motor und Pumpe genutzt. Während des Zurückschwenkens zum Haufwerk wird deutlich weniger Energie benötigt und die Pumpe kann zum aktiven Laden der Speicher verwendet werden. Darüber hinaus kann die potenzielle Energie aus dem Ausleger und kinetische Energie aus dem Drehwerk zurückgewonnen und in den Speichern gespeichert werden.

Eine Analyse des Motor- und Pumpenbetriebs zeigt einige interessante Aspekte.

  Betriebspunkte des Motors für beide Systeme Urheberrecht: ifas Betriebspunkte des Motors für beide Systeme

Änderung der Motor-Betriebsweise

Der spezifische Kraftstoffverbrauch des Motors wird in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und dem Drehmoment dargestellt. Die resultierenden Motorbetriebspunkte für beide Systeme (Load Sensing und STEAM) sind dargestellt, wobei die Höhen der einzelnen Säulen angeben, wie häufig der Motor bei einer bestimmten Drehzahl- und Drehmomentkombination arbeitet. Das Load Sensing-System wird bei einer höheren Motordrehzahl von 1800 U/min bei gleichmäßiger Verteilung der Betriebspunkte bei unterschiedlichen Drehmomentwerten betrieben. STEAM hingegen arbeitet mit 1200 U/min, meist bei hohem Drehmoment im Bereich des optimalen Kraftstoffverbrauchs beim Laden des Speichers und im Leerlauf für kurze Zeiträume, wenn der Speicher voll ist. Aufgrund des hohen Leistungsbedarfs des Zyklus sind die Leerlaufphasen sehr kurz.

  Betriebspunkte der Pumpe für beide Systeme Urheberrecht: ifas Betriebspunkte der Pumpe für beide Systeme

Änderung der Pumpen-Betriebsweise

Ebenso ist der Pumpenwirkungsgrad in Abhängigkeit des Systemdrucks und des Pumpen-Schwenkwinkels dargestellt.

Im Falle des Load Sensing-Systems sind die Betriebspunkte breit über den gesamten Betriebsbereich gestreut, wodurch die direkte Kopplung der Leistungsanforderung der Antriebe und bereitzustellenden Pumpenleistung deutlich gezeigt wird. Das STEAM-System zeigt zwei eindeutige Betriebspunkte bei großen Schwenkwinkeln - einen für die Ladung des Mitteldrucks und einen für die Ladung des Hochdrucks.

Trotz der niedrigeren Motordrehzahl erreichte STEAM die gleiche Zykluszeit und verbrauchte 27 % weniger Kraftstoff. Messungen zeigen, dass der verbesserte Motorbetrieb für etwa die Hälfte der Verbesserung verantwortlich ist. Der Rest ist eine direkte Folge der reduzierten Drosselverluste und der Energierückgewinnung in der Hydraulik. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung des ganzheitlichen Ansatzes.

 

Danksagung

Die Validierung des STEAM- (Steigerung der Energieeffizienz in der Arbeitshydraulik mobiler Maschinen) Systems wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms Validierung des Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung (VIP) gefördert. Das Institut bedankt sich beim BMBF für die Förderung. Weiterer Dank gilt Volvo Construction Equipment Konz, die den Versuchsträger zur Verfügung gestellt haben.

 

Veröffentlichungen

Vukovic, M., 2017, Hydraulic Hybrid Systems for Excavators, Ph.D. Thesis, RWTH Aachen University

Vukovic, M.; Leifeld, R.; Murrenhoff, H. Reducing Fuel Consumption in Hydraulic Excavators—A Comprehensive Analysis. Energies 2017, 10, 687, DOI: 10.3390/en10050687
Leifeld, R., Vukovic, M., Murrenhoff, H., 2016, Hydraulic Hybrid Architecture for Excavators, ATZoffhighway worldwide, DOI: 10.1007/s41321-016-0523-9

Vukovic, M., Leifeld, R., Murrenhoff, H., 2016, STEAM – a hydraulic hybrid architecture for excavators, Proceedings of 10th International Fluid Power Conference, Dresden, Germany

Vukovic, M., Murrenhoff, H., 2014, Single Edge Meter-Out Control for Mobile Machinery, Proceedings of ASME/Bath Symposium on Fluid Power & Motion Control FPMC, Bath, England
Sgro, S., 2014, Concepts of Hydraulic Circuit Design Integrating the Combustion Engine, Ph.D. Thesis, RWTH Aachen University