Einfluss von Bio-Hydrauliköl auf die Effizienz einer mobilen Arbeitsmaschine

  Temperatur-Viskositätsverhalten verschiedener Öle mit Versuchsbagger Urheberrecht: © ifas

Durch die Wahl der Ölviskosität bzw. des Viskositätsindexes kann der Wirkungsgrad hydraulischer Anlagen beeinflusst werden. Dabei zeigt sich, dass insbesondere ein hoher Viskositätsindex also eine geringe Änderung der Viskosität über der Temperatur von Vorteil ist. Bio-Hydrauliköle besitzen von Natur aus einen wesentlich höheren Viskositätsindex als Mineralöle. Ziel des Projektes ist es daher den Einfluss von Bio-Hydrauliköl auf den Wirkungsgrad einer mobilhydraulischen Beispielanlage zu quantifizieren. Mögliche Wirkungsgradsteigerungen und die damit verbundenen Einsparpotentiale an Kraftstoff können zur Steigerung des Marktanteils von Bio-Schmierstoffen beitragen.

 
Nutzen Vorgehen
Messung der Antriebsleistung bei der Verwendung von Mineralöl und Bio-Öl Ausstatten eines Versuchsbaggers mit Messelektronik
Validierung der Leistungsfähigkeit von Bioschmierstoffen Erfassen von Messgrößen des Systems
Ermittlung möglicher Kraftstoffeinsparungen Durchführung eines Referenzzyklus mit Mineralöl

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Einfluss von Bio-Hydrauliköl auf die Effizienz einer mobilen Arbeitsmaschine

Technische Voraussetzungen von Bio-Hydraulikölen

Gegenwärtig stagniert der Markt für Bio-Hydraulikfluide. Markthemmend wirkt der gegenüber Mineralölprodukten deutlich höhere Preis in der Anschaffung. Im Hinblick auf die technischen Eigenschaften sind Bio-Hydrauliköle den mineralölbasierten Ölen heutzutage zum großen Teil ebenbürtig und erfüllen die technischen Anforderungen nach DIN ISO 15380. Die maßgebende Eigenschaft von Hydraulikölen bei einem weiten Temperaturbereich in mobilen Maschinen ist das Temperatur-Viskositäts-Verhalten. Beschrieben wird dieses durch den Viskositätsindex (VI) eines Fluides. Angegeben wird ein Wert, der reziprok zur Steigung des Viskositätsverlaufes über der Temperatur ist. Das bedeutet je höher der angegebene Wert, je geringer die Änderung der Viskosität mit der Temperatur. Ein mineralölbasiertes HLP Hydrauliköl besitzt etwa einen VI von 100. Dem gegenüber weist ein synthetischer Ester der Klasse HEES einen Wert von über 200 auf.

Ziel des Projektes war es den Einfluss des Einsatzes von Biohydrauliköl auf den Wirkungsgrad eines mobilen Raupenbaggers zu identifizieren. Mögliche Wirkungsgradsteigerungen und damit verbundene Einsparpotenziale an Kraftstoff konnten zu diesem Zweck herausgestellt werden. Dazu wurden vergleichbare Arbeitszyklen der Baumaschine mit Mineralöl und Biohydrauliköl in Bezug auf ihren Kraftstoffverbrauch miteinander verglichen. Auf Grundlage der Messergebnisse des Referenzzyklus mit Mineralöl wurde ein Biohydrauliklöl entwickelt, welches auf die thermischen Gegebenheiten der Temperaturverteilung während des Zyklus angepasst wurde.

  Bagger Urheberrecht: © ifas

Ausstattung des Versuchsbaggers mit Messeletronik

Wichtige hydraulische Verbraucher des Versuchsbaggers (z. B. Zylinder, Ventile, Leitungen), sowie Pumpen und Motoren wurden mit Sensoren zur Volumenstrom-, Druck- und Öltemperaturmessung ausgestattet. Anhand der Temperaturerfassung konnte die lokale Viskosität des Öls ermittelt werden. Eine Kraftstoffverbrauchmesseinrichtung erfasste den benötigten Kraftstoff für die gefahrenen Zyklen.

Referenzzyklus und Umölen

Auf dem Versuchsgelände wird mit dem Versuchsbagger der sog. „Dig and Dump“ Grabzyklus dargestellt. Dieser Zyklus ist üblich für Performancemessungen an Baggern. Der Bagger wurde dabei automatisiert angesteuert und folgt einer vorgegebenen Bahnkurve. Der Zyklus wurde so oft wiederholt, bis die Messdaten eine hinreichende statistische Sicherheit aufwiesen. Die Umgebungsbedingungen wurden zusätzlich erfasst. Basierend auf den Messdaten wurde ein Bio-Hydrauliköl formuliert, welches bei der maximal auftretenden Fluidtemperatur während des Zyklus die geforderte Mindestviskosität aufweist. Resultierend aus dem höheren VI des Bio-Hydrauliköls besitzt dieses unterhalb der maximalen Temperatur eine geringere Viskosität und verursacht somit geringere Reibungsverluste in drosselförmigen Widerständen. Auf ein grundsätzliches Absenken des Viskositätsniveaus gegenüber dem Mineralöl wurde verzichtet, um die Betriebssicherheit der Maschine sicherzustellen. Das produzierte Testfluid erfüllt die Anforderungen der DIN 16807 gemäß der Definition für Bioschmierstoffe.

Vergleichszyklus und Bewertung der Messergebnisse

Entsprechend dem beschriebenen Vorgehen wurde der „Dig and Dump“ Zyklus mit dem umgeölten Hydrauliksystem automatisiert wiederholt. Die Messergebnisse wurden sowohl im Hinblick auf den Energieverbrauch des Hydrauliksystems als auch auf den gesamten Energieverbrauch des Baggers ausgewertet.

Aus den Messergebnissen geht hervor, dass besonders bei niederen Tanktemperaturen Kraftstoff durch die Verwendung von Bio-Hydrauliköl eingespart werden kann. Bei höheren Fluidtemperaturen kehrt sich dieser Zusammenhang um. Der Grund für dieses Verhalten soll in weiteren Komponententests weiter erforscht werden.

Der in den Untersuchungen betrachtete Mini-Raupenbagger wird häufig für kurze Zeiträume auf Baustellen betrieben und damit liegt die mittlere Betriebstemperatur unter der Betriebstemperatur größerer Maschinen. Bei der Annahme einer durchschnittlichen Tanktemperatur im Bereich von 35–50 °C des Raupenbaggers ergeben sich Einsparungen von circa 4,65 % beim Betrieb mit Biohydrauliköl. Das Hydraulikölwechselintervall des Versuchsbaggers liegt bei 2.000 h. Pro Wechselintervall werden beim mineralölbasierten Hydrauliköl damit 7.590,2 € an Kraftstoffkosten fällig, beim Biohydrauliköl sind es 7.237,1 € bei einem Dieselpreis von 1,30 €/l. Es ergeben sich hiermit Einsparungen von 353,1 € bei der Durchführung des beschriebenen Grabzyklus.

 

Danksagung

Das Forschungsprojekt wird von der Fachagentur Nachwachsender Rohstoffe e.V. (FNR) gefördert. Als Projektpartner fungieren die Volvo Construction Equipment Germany GmbH und die Panolin AG.

 

Veröffentlichungen

Titel Autor(en)
Bio-Based Hydraulic Fluids and the Influence of Hydraulic Oil Viscosity on the Efficiency of Mobile Machinery
Buchbeitrag, Fachzeitschriftenartikel (2021)
Deuster, Sebastian (Corresponding author)
Schmitz, Katharina