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STEAM - Steigerung der Energieeffizienz in der Arbeitshydraulik mobiler Maschinen

STEAM ist der erste ganzheitliche Ansatz zur Optimierung der Energieeffizienz und Performance von mobilen Arbeitsmaschinen. Betreiber profitieren von der neuen Hybridschaltung, die die hydraulischen Verluste reduziert, den Verbrennungsmotor optimal betreibt und eine effiziente Energierückgewinnung ermöglicht. Weiterhin können Hersteller mit der neuen Steuerung das Maschinenverhalten schnell und flexibel anpassen. Erste Messungen zeigen ca. 40% Reduktion im Verbrauch. Das Projekt wird vom BMBF in Rahmen des VIP Programms gefördert und das Ziel ist eine neuartige hydraulische Hybridarchitektur für mobile Arbeitsmaschinen mit Hilfe eines Demonstrators zu valideren.





Trotz vieler Entwicklungen in den letzten zwanzig Jahren sind mobile Arbeitsmaschinen heutzutage energetisch gesehen immer noch wenig effizient. Der schlechte Wirkungsgrad ist hauptsächlich auf den ineffizienten Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors und des daran angeschlossenen Hydrauliksystems zurückzuführen. Um diese zwei Verlustmechanismen zu reduzieren, verwendet STEAM eine neuartige und sehr innovative hydraulische Versorgungsarchitektur.

Anders als in den heutigen Load Sensing oder Flow Control Systemen werden die Verbrennungskraftmaschine (VKM) und Hydraulikpumpe nicht zur direkten Versorgung der hydraulischen Verbraucher, sondern nur zur Aufrechterhaltung des Drucks in jeweils einem von zwei Speichern verwendet. Durch diese sogenannte Speicherladeschaltung können die VKM und die hydraulischen Verbraucher unabhängig voneinander gesteuert und beide zur selben Zeit im optimalen Wirkungsgradbereich betrieben werden, da die Konstantdruckleitungen die Energiequelle von den Einflüssen der Lasten trennen. Weiterhin ermöglichen die Speicher eine Drehzahlabsenkung und gleichmäßig hohe Drehmomentbelastung der VKM, die zu einer deutlichen Verbesserung im Wirkungsgrad führen (Sweet Spot Operation). Gleichzeitig wird die Rückgewinnung der potentiellen und kinetischen Energie aller Verbraucher möglich. Damit kann die Maschine als ein hydraulischer Hybrid bezeichnet werden.

In Kontrast zu den meisten Hybridsystemen, die zurzeit entwickelt und verkauft werden, verwendet STEAM keine elektrischen Speicher oder Antriebe. Die in der Maschine schon vorhandene Hydraulik wird nur erweitert. Hierdurch werden viele unnötige Energiewandlungen und Kosten vermieden. Die robuste hydraulische Hybridtechnik erhöht die Wirtschaftlichkeit für Betreiber, die sich über eine höhere Maschinenleistung mit einer erheblichen Reduzierung im Kraftstoffverbrauch freuen können. Erste Messungen an einzelnen Antrieben zeigen eine Verbrauchsverbesserung von knapp 40%. Die Absenkung der VKM-Drehzahl von den üblichen 1800 U/min auf 1200 U/min führt zu einer geringeren Geräuschemission und einer ruhigeren Arbeitsumgebung.

Um mit den aktuellen hydraulischen Schaltungen allen Abgasvorschriften gerecht zu werden, müssen Hersteller heutzutage einen erheblichen Aufwand betreiben, der gleichzeitig kosten- und entwicklungsintensiv ist. Durch die STEAM-Speicherladeschaltung arbeitet der Verbrennungsmotor nur in zwei Betriebspunkten: entweder bei Volllast wenn ein Speicher geladen werden muss oder im Leerlauf wenn alle Speicher gefüllt sind. Dadurch kann die Abgasnachbehandlung deutlich vereinfacht werden. In Abhängigkeit des Zyklus ist auch ein Start-Stopp-Betrieb möglich, wie es im KFZ-Bereich bereit Stand der Technik ist. Zeitgleich bedeutet dieses ein geringerer Aufwand bei der Inbetriebnahme verschiedener Systemregler, z.B. des Pumpenleistungsreglers. Diese innovative Versorgung zusammen mit der neuen Steuerung und die STEAM-Ventiltechnik bilden ein modulares Baukastensystem und ermöglichen eine flexible Systemanpassung für verschiedene Maschinengrößen und Einsatzgebiete.

Zusammengefasst bietet STEAM wesentliche Vorteile hinsichtlich Effizienz, Performance, Wirtschaftlichkeit und für Maschinenbetreiber und -hersteller. Unter Berücksichtigung der sinkenden Energieressourcen und verschärfte Abgasrichtlinien ist das System eine für die Praxis sehr relevante und zukunftsweisende Innovation.





Sachbearbeiter: Dipl.-Ing. Milos Vukovic, Roland Leifeld, M.Sc.

Dipl.-Ing. Milos Vukovic
Gruppenleiter System- und Steuerungstechnik
+49-241-80-27528
Milos.Vukovic@ifas.rwth-aachen.de


Veröffentlichungen

STEAM-Hydraulic Design for Engine Integration
Vukovic, M.; Sgro, S.; Murrenhoff, H.
O + P : Fluidtechnik für den Maschinen- und Anlagenbau

STEAM : the best of both worlds
Leifeld, R.; Vukovic, M.; Murrenhoff, H.
The Seventh Workshop on Digital Fluid Power

Characteristics of Energy Efficient Switched Hydraulic Systems
Yuan, H.; Vukovic, M.; Shang, Y.; Wu, S.; Murrenhoff, H.; Jiao, Z.
Proceedings of the 9th JFPS International Symposium on Fluid Power : Matsue, Oct. 28-31, 2014 ; Book of Abstracts / The Japan Fluid Power System Society (JFPS) [Hrsg.]

Single edge meter out control for mobile machinery
Vukovic, M.; Murrenhoff, H.
Proceedings of the ASME/BATH 2014 Symposium on Fluid Power and Motion Control : FPMC 2014 ; Sept 10-12, 2014, Bath, UK

An Overview of Energy Saving Architectures for Mobile Applications
Murrenhoff, H.; Sgro, S.; Vukovic, M.
9th International Fluid Power Conference Aachen : Modern Fluid Power Challenges, Responsibilities, Markets ; 24.-26. März 2014 / Hubertus Murrenhoff. - Vol. 2

STEAM : a holistic approach to designing excavator systems
Vukovic, M.; Sgro, S.; Murrenhoff, H.
9th International Fluid Power Conference Aachen : Modern Fluid Power Challenges, Responsibilities, Markets ; 24.-26. März 2014 / Hubertus Murrenhoff. - Vol. 2: Conference: Tuesday, March 25th + scientific poster session

STEAM - Eine energieeffiziente Ansteuerung der Arbeitshydraulik mobiler Maschinen
Sgro, S.; Vukovic, M.; Murrenhoff, H.
ATZ offhighway

STEAM - A mobile hydraulic system with engine integration
Vukovic, M.; Sgro, S.; Murrenhoff, H.
Proceedings of the ASME/BATH 2013 Symposium on Fluid Power & Motion Control, October 6-9, 2013, Sarasota, Florida, USA

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