Darstellung optimierter Antriebslösungen für mobile Arbeitsmaschinen mit Dieselmotoren in der Abgasstufe Tier4 final zur Reduzierung der Kosten und Erhöhung von Performance


Die Entwicklungen der Dieselmotoren in den letzten 15 Jahren zur Erfüllung der Abgasgrenzwerte haben zu einer erheblich gewachsenen Komplexität geführt. Die Installation der neuen Motoren in der Abgasstufe Tier 4 final inklusive Abgasanlage in vielfältigen Applikationen mobiler Arbeitsmaschinen mit ihren gerätespezifischen Randbedingungen stellt die Gerätehersteller und die Motorlieferanten vor eine große Herausforderung. In der Abgasstuf Tier 4 bleibt der Motorenhersteller für die Einhaltung der Abgasgrenzwerte des Motors mit seinen gerätespezifischen Abgaskomponenten verantwortlich.
Trotz enormer Fortschritte bei der Emissionsreduzierung (um mehr als 96%) ist in den letzten Jahren im Hinblick auf Kraftstoffverbrauch, CO2 Reduzierung und TCO (Total Cost of Ownership) keine wesentliche Verbesserung erreicht worden. Die Optimierung der Einzelkomponenten (Motor, Hydraulik, Getriebe) hat einen hohen Reifegrad erreicht. Weitere Verbesserungen auf Komponentenebene sind mit hohem Aufwand verbunden. Die Optimierung des Antriebsstrangs bestehend aus Motor und Abtrieb (Getriebe oder Hydraulik) in Kombination mit Hybridtechnik zeigt hingegen ein enormes Potential für die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und Erhöhung der Produktivität der Maschinen bei vergleichsweise niedrigem Aufwand.
Erste Untersuchungen im Bereich der elektrischen Hybridlösungen haben das Optimierungspotential bestätigt. Diese Technologie wird jedoch kurz- und mittelfristig –bis auf wenige Spezialanwendungen – in mobilen Arbeitsmaschinen noch nicht wirtschaftlich eingesetzt werden können.
Die meisten Funktionen des diesel-elektrischen Hybrids lassen sich jedoch auch weitgehend durch Systemintegration von Dieselmotor, geräteseitigem Hydrauliksystem und hydraulischem Energiespeicher realisieren. Die Hydraulik, der gerade in Baumaschinen eine wesentliche Bedeutung zukommt, kann damit als Brückentechnologie auf dem Weg zur langfristig vollständigen Hybridisierung dienen.
Die optimale Abstimmung des Dieselmotors mit der Hydraulik ist der Schlüssel zu Realisierung der Funktionen wie Best-Point-Operation, Energierückgewinnung, Boosten und Start/Stopp, mit denen neben deutlichen Steigerungen der Geräteperformance auch Kraftstoffverbrauchsreduzierungen von bis zu 20% - in Abhängigkeit von Anwendung und Lastzyklus realisiert werden können.
Basierend auf Erfahrungen aus der Applikation mobiler Arbeitsmaschinen werden in diesem Beitrag verschiedene Lösungen zur Installation der neuen Motoren der Abgasstufe 4 in mobilen Arbeitsmaschinen sowie der Optimierung des Antriebsstrangs kombiniert mit hydraulischem Hybrid vorgestellt.

Hydraulik- und Schmiersysteme sind ein wesentlicher Bestandteil mobiler und stationärer Maschinen, bei denen das Öl viele wichtige Aufgaben des Antriebsystems übernimmt. Für die Online-Überwachung dieser fluidtechnischen Systeme setzt sich in vergangenen Jahren zunehmend Öl-Zustandssensorik durch, mit deren Hilfe sich die Total Cost of Ownership der ausgestatteten Maschinen signifikant reduzieren lassen. Ein wesentlicher Bestandteil ist dabei die optimale Einbindung der Sensorik in die Maschinensteuerung und Fernleitsysteme bei stationären Maschinen, bzw. das Flottenmanagementsysteme bei mobilen Maschinen. Bei entsprechender Einbindung ermöglicht die Überwachung die Planbarkeit von Wartungsterminen zu verbessern und dadurch unvorhergesehene Ausfallzeiten der Anlagen zu minimieren.

Einerseits ist es für den Kunden wünschenswert die Sensordaten lokal an der jeweiligen Maschinensteuerung verfügbar zu machen, um den Bediener der Maschine mit aktuellen Statusmeldungen versorgen zu können. Anderseits sollen die Zustandsdaten mehrerer Maschinen zentral, zusammengeführt werden um eine Ferndiagnosen durch erfahrene Ingenieure zu ermöglichen und so eine zustandsorientierte Instandhaltung zu realisieren. Eine direkte Möglichkeit die Sensordaten zentral zur Verfügung zu stellen ist sie an der Maschinensteuerung oder, bei über Feldbus angebundenen Sensoren, am Feldbus abzugreifen und auf einen Server zu speichern. Bei stationären Maschinen bietet sich dafür in erster Linie die Anbindung über Ethernet ans lokale Netz oder einen Internetserver. Bei mobilen Maschinen muss für die Anbindung auf ein mobiles Datennetz wie das GSM-Netz zurückgegriffen werden. Durch die fast flächendeckende Verfügbarkeit in Europa und die weltweit sehr gute Abdeckung, ist es dank der überschaubaren Datenmengen eine effektive Möglichkeit für die Anbindung der Sensoren.

Da die Daten auf einem ans Internet angebundenen Server zur Verfügung stehen, bieten sich weitere Möglichkeiten auf die durch die Sensoren erfassten Daten und Zustände der Maschine zu reagieren. Die Daten lassen sich über längere Zeit speichern um jederzeit den Maschinenzustand zu einem beliebigen Zeitpunkt in der Vergangenheit nachvollziehen zu können. Bei eine entsprechender Auslegung der Infrastruktur lassen sich Meldungen per E-Mail oder SMS verschicken, wenn kritische Parameter die dafür definierten Grenzwerte erreichen.

Im Rahmen des Beitrages wird das Prinzip und die Möglichkeiten eines solchen Remote Condition Monitoring Systems und dessen Infrastruktur gezeigt, wie sie nach dem aktuellen Stand der Technik realisiert werden kann. Es werden Ergebnisse aus Feldversuchen präsentiert, bei denen mehrere Öl-Zustandssensoren fluidtechnische Systeme im realen Einsatz überwachen (Hauptgetriebe einer Windkraftanlage, hydraulischer Prüfstand, …) und in Kombination mit einem Kommunikationsgerät die Daten über verschiedene Bus-Systeme zusammenführen. Die Daten selber werden dem Nutzer dabei über eine webbasierte Cloud-Lösung und ein konfigurierbares Internetportal zur Verfügung gestellt. Die sich für den Anwender ergebenden Vorteile werden herausgearbeitet und anhand der vorhandenen Applikationsbeispiele verdeutlicht.

This paper briefly introduces a simple and novel hydraulic hybrid system intended for power management of a Cut-To-Length (CTL) forest harvester.

The work cycle of a CTL harvester is known to include high power demand fluctuations and thus tight requirements are set for the operation and performance of the hydraulic hybrid system. In this paper the main components, them being the energy storage system and the closed circuit type, over-center variable displacement pump-motor unit controlling the energy flow between the energy storage and the hydraulic system are dimensioned. This dimensioning is based on a study on the measured actual work cycle and their analysis. Especially the required capacity of the energy storage system, say hydraulic accumulator setup is studied as well as the overall system energy balance over time. Commercially available components are chosen for this mobile application.

Modeling and simulation of the hydraulic hybrid system and its interaction with the standard machine power transmission system as well as its primary mover is carried out. Based on the model and simulation results the actual dimensioning and component sizing can be done in a more accurate way. It is clear that the control response of the closed circuit type, over-center variable displacement pump-motor used in the system is very crucial as maximum displacement change, from maximum negative displacement to maximum positive displacement is required to take place in as short time as one second. Also energy saving possibilities of the proposed hydraulic hybrid system is discussed and compared with traditional hydraulic power transmission of a CTL harvester.

As a result of this study a more detailed dimensioning of the main components of the hydraulic hybrid system can be done. Based on simulation results also control concept is discussed and a control approach can be proposed.

Future work is proposed to include the implementation of an actual test system for a CTL harvester as well as the relevant measurements to find out the performance of the proposed hydraulic hybrid in a real work cycle. Both fuel efficiency and system performance needs to be compared to a traditional system. Also the control of such as system will be studied in more detail later on.

In many cases, the implementation of an energy recovery system is the most effective solution for improving the energy efficiency of a work machine. The previously studied direct hydraulic recovery system with hydraulic accumulators and a Digital Flow Control Unit (DFCU) has been proven as a very viable option. In this kind of system however, the pre-load pressure of accumulator gas chamber has a critical influence on the overall performance of the recovery system. With load optimized pre-load pressure setting aimed for constant load operation cycle (e.g. industrial warehouses with low article variance) this system has been measured to yield in the best case energy consumption reductions exceeding 50 per cent (compared to system without energy recovery) with round trip efficiency of energy recovery system exceeding 90 per cent. However, when deployed to a mixed good warehouse the consumption reduction drops to a level of approximately 10 – 20 per cent, depending on the duty cycle and accumulator settings. In order to achieve higher energy consumption reductions in mixed good warehouses with constantly variable loads an alternative recovery system topology is required.

In this study a new hydraulic recovery system topology is designed and adapted to a full size reach truck test bench. This system utilizes indirect hydraulic energy recovery realized with custom build hydraulic transformer consisting of two pump/motor units coupled with overrun clutch.

Measurements with different loads and lift ranges were carried. As expected, the measurements indicated that the peak efficiency of the previously studied direct hydraulic recovery was not achieved with the new system. However, with variable loads the system outperformed the direct one (mixed goods warehouse operation, no pre-load altering between subtasks). The measured average energy consumption reduction was around 30 per cent.