Hydrostatisch Regeneratives Bremssystem (HRB)

Transkript

1 141 Vorwort Hydrostatisch Regeneratives Bremssystem (HRB) Dr. Christine Ehret Dr. Gerhard R. Geerling Dr. Markus G. Kliffken Frank Nagel Bosch Rexroth AG Glockeraustraße Elchingen, Germany Markus.Kliffken@boschrexroth.de 1Abstract Insbesondere in Nordamerika und Europa verlangen die Gesetzgeber mit den TIER- und EURO-Normen immer einschneidendere Senkungen bei den Schadstoffemissionen. In Europa ist zusätzlich die Diskussion um die Feinstaubbelastung in das Interesse der Öffentlichkeit geraten. Vor diesem Hintergrund leistet das Hydrostatisch Regenerative Bremssystem (HRB) von Rexroth einen wertvollen Beitrag zur Reduzierung der Emissions- und Feinstaubbelastung. Die Endlichkeit der fossilen Rohstoffe und der weltweit ständig zunehmende Energiebedarf stellen eine der zentralen Herausforderungen für die kommenden Jahrzehnte dar. Daher wird es zunehmend wichtiger, den vorhandenen Kraftstoff effizient auszunutzen. In diesem Rahmen leistet HRB mit einer Kraftstoffersparnis von bis zu 25 Prozent einen wirtschaftlich sinnvollen Beitrag zur Energieeinsparung und gleichzeitig zur Reduzierung der Betriebskosten. Schlüsselwörter: Hydraulischer Hybrid, Hydrostatisch Regeneratives Bremssystem, Mobile Arbeitsmaschinen

2 Tagung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen 142 2Einleitung Mit dem Hydrostatisch Regenerativen Bremssystem (HRB) verbindet Rexroth die Vorteile von Hybridkonzepten mit der hohen Leistungsdichte hydraulischer Speicher für den wirtschaftlichen Einsatz in Nutzfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen. Das Ergebnis: Kraftstoffersparnis von bis zu 25 Prozent. Das System beruht dabei auf Serien- beziehungsweise seriennahen Komponenten und erfordert nur geringe Modifikationen an vorhandenen Antriebssträngen. Damit eignet sich das HRB sowohl zur Erstausrüstung als auch zur Nachrüstung von Fahrzeugflotten. 3Hybridtechnik für Nutzfahrzeuge und mobile Arbeitsmaschinen In Zeiten hoher Ölpreise richtet sich vermehrt der Blick auf Treibstoff sparende Technologien in Antriebssystemen. Besondere Aufmerksamkeit erregen hierbei die derzeitigen Aktivitäten auf dem Gebiet der Hybridantriebe. Wesentliche Treiber für den Hybridantrieb sind steigende Kraftstoffkosten und ein zunehmendes Umweltbewusstsein aufgrund der Emissionsgesetzgebung. Die Gemeinsamkeit aller Konzepte für Hybridantriebe besteht darin, den Verbrennungsmotor in Betriebspunkten zu betreiben, in denen er einen maximalen Wirkungsgrad erzielt. Der Hybridantrieb senkt dabei den Kraftstoffverbrauch und reduziert gleichzeitig die Emissionen des Verbrennungsmotors deutlich, da ungünstige Betriebspunkte mit schlechtem Wirkungsgrad weitgehend entfallen [1]. Dies erfolgt beim HRB durch Zwischenspeicherung von Bremsenergie. In ungünstigen Betriebspunkten des Verbrennungsmotors greift der Antrieb auf die gespeicherte Energie zurück. 4Speichersysteme Wichtige Kenngrößen zur Charakterisierung von Speichern sind die Leistungsdichte [W/kg] und Energiedichte [Wh/kg]. Beide Merkmale verdeutlicht das Ragone-Plott (Abb. 1). Eine große Herausforderung beim jetzigen Stand der Technik bildet die relativ geringe Leistungsdichte elektrischer Speichermedien. Sowohl Brennstoffzellen als auch Batterien weisen auf Grund ihres hohen Innenwiderstandes eine geringe Leistungsdichte auf und eignen sich so nur bedingt für die Rekuperation der Bremsenergie. Zudem verringert eine zyklische Auf- und Entladung die Lebensdauer stark. Deutliche Vorteile bei der Rekuperation der Bremsenergie gegenüber elektrischen Speichern bieten hydropneumatische Blasenspeicher. Bei diesem Speichertyp befindet sich das Gas in einer Blase aus hochfestem Werkstoff. Blasenspeicher sind nahezu wartungsfrei und finden deshalb eine sehr breite Anwendung in der Hydraulik. Standardversionen arbeiten mit einem Nenndruck von 350 bis 400 bar.

3 143 Vorwort Abb. 1: Ragone-Plott Diese spezifischen Eigenschaften lassen sich nutzen, um die Vorteile des Hybridantriebs auch Nutzfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen zu eröffnen. Mit dem Hydrostatisch Regenerativen Bremssystem hat Rexroth eine Systemlösung entwickelt, welche die sonst während eines Bremsvorgangs ungenutzte Bremsenergie in hydraulische Speicher leitet (Abb. 2). Beim nächsten Beschleunigungsvorgang gibt der Speicher kontrolliert genügend Energie ab, um den Verbrennungsmotor wirksam zu entlasten. Zudem erfordert das Konzept nur eine geringe Modifikation des Antriebsstrangs und ermöglicht es so, auch bestehende Fahrzeugflotten nachzurüsten.

4 Tagung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen 144 Abb. 2: Funktionsweise HRB 5Rückgewinnung der Bremsenergie Die Rückgewinnung der Bremsenergie mit dem HRB ist besonders bei Fahrzeugen interessant, die in intensiven Zyklen arbeiten. Auch im Nutzfahrzeugbereich arbeiten Hersteller bereits seit längerem an Hybridantrieben für Stadtbusse. Bereits in den achtziger Jahren zeigten von Busherstellern durchgeführte Untersuchungen das viel versprechende Potenzial eines hydrostatischen Bremssystems. So realisierte Volvo einen Bus mit einem hydropneumatischen Speichersystem, das den Kraftstoffverbrauch im Stockholmer Stadtzyklus um 30 bis 35 Prozent reduzierte [2]. Ebenfalls Mitte der achtziger Jahre rüsteten MAN und Rexroth einen Bus mit einem hydrostatischen Leistungsverzweigungsgetriebe aus, das über ein regeneratives Bremssystem mit Hochdruckspeichern und Axialkolbenmaschinen nahezu die gesamte kinetische Energie speicherte. Neben dem besseren Beschleunigungsverhalten wurden zudem Spriteinsparungen von über 20 Prozent im Betrieb erzielt [3, 4, 5]..5.1Arbeitszyklus des hydropneumatischen Speichers Abbildung 3 zeigt das prinzipielle Verhalten von Volumen und Druck eines hydropneumatischen Speichers während eines kompletten Entlade-/Ladezyklus.

5 145 Vorwort 1 2: Der Speicher lädt auf und erhöht den Druck des Gases durch Volumenreduzierung. Dabei steigt die Temperatur des Gases. 2 3: Ruhephase, das Gas gibt Wärme an die Umgebung ab, der Druck sinkt bei gleich bleibendem Volumen. 3 4: Entladen des Speichers: Der Speicherdruck sinkt, während sich das Volumen erhöht. Gleichzeitig sinkt auch die Temperatur. 4 1: Ruhephase: Der Gasdruck steigt durch die Aufnahme von Umgebungswärme. Da die thermischen Verluste in der Ruhephase größer sind als die Gewinne beim Ladevorgang, ist die Fläche in Abbildung 3 identisch mit den thermischen Verlusten. Abb. 3: Lade/Entladevorgang für den hydropneumatischen Blasenspeicher (Zustandsänderungen im p-v-diagramm).5.2systemvarianten für verschiedene Fahrzeugtypen Rexroth bietet zwei Grundkonzepte für das HRB an: Paralleles HRB: Für Anwendungen ohne hydrostatischen Fahrantrieb, beispielsweise Entsorgungsfahrzeuge oder Stadtbusse. Serielles HRB: Für Anwendungen mit einem bestehenden hydrostatischen Fahrantrieb, wie zum Beispiel hydrostatische Stapler.

6 Tagung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen 146 Abb. 4: Schema paralleles HRB Abb. 5: Schema serielles HRB Für das parallele HRB werden bevorzugt schwenkbare Axialkolbenpumpen eingesetzt. Dabei kann die Kopplung zwischen dem Antriebsstrang und dem Bremssystem variieren. Die Steuerung des Bremsmoments erfolgt über die Verstellung des Schluckvolumens der Axialkolbenpumpe. Eine Übersicht über das Hydrauliksystem und die erforderlichen Systemkomponenten gibt Abbildung 4. Beim Bremsen lädt eine durchschwenkbare, mit dem Abtrieb gekoppelte Axialkolbenpumpe (P/M) den Hochdruckspeicher (SHP) auf. Der Hochdruckspeicher treibt beim Beschleunigen den Motor (P/M) an. Während der dazwischen liegenden Phasen ist das 2/2 Wegeventil (V) geschlossen. Zusätzlich sichert ein Druckbegrenzungsventil (DBV) den Speicher ab. Ein Drucksensor dient zur Steuerung des Bremsmoments beziehungsweise der Betriebszustandsübergänge. Das serielle HRB nutzt den vorhandenen hydrostatischen Kreislauf in der jeweiligen Anwendung (Abb. 5). Dies gilt auch für Mehrmotorenantriebe und hydromechanische Leistungsverzweigungsgetriebe. Während des normalen Fahrbetriebs sind alle vier Logikventile geschlossen. Je nach Modus öffnen sich die Ventile in den Blöcken VB1,2. Für die Beschleunigung entlädt sich der Hochdruckspeicher (S HP) über den Hydraulikmotor (M) in den Niederdruckspeicher. Beim Bremsen arbeitet der Motor (M) als Pumpe und lädt den Hochdruckspeicher aus dem Niederdruckspeicher (S LP).

7 147 Vorwort Abb. 6: Speicherauswahl 6Systemkomponenten Die für das HRB erforderlichen Systemkomponenten beruhen größtenteils auf Serien- und seriennahen Komponenten aus dem Produktprogramm von Rexroth. Das garantiert eine hohe Verfügbarkeit und eine reproduzierbare Qualität. Über die Varianz der Komponenten bietet Rexroth maßgeschneiderte, auf die jeweilige Anwendung abgestimmte Systemlösungen. Das verdeutlichen folgende Beispiele: Stapler, ausgerüstet mit seriellem HRB: 10 Tonnen, 85 kw, Nutzung des HRB bis 23 km/h Entsorgungsfahrzeug, ausgerüstet mit parallelem HRB: 25 Tonnen, 200 kw, Nutzung des HRB bis 25 km/h,.6.1speicher Die optimale Speichergröße definiert Rexroth über die zu speichernde Energie. Die Systemauslegung berücksichtigt zusätzlich den Wirkungsgrad für das hydraulische System und den Energieverlust durch den Rollwiderstand der Reifen. Damit ergeben sich für die zwei ausgewählten Fahrzeugklassen folgende Speichergrößen (Abb. 6): Stapler: 20 Liter Volumen Entsorgungsfahrzeuge: 50 Liter Volumen

8 Tagung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen Axialkolbenmaschinen Die Auswahl der Axialkolbenmaschine erfolgt auf Basis der Leistung (Fahrzeugmasse m, Geschwindigkeit v, Beschleunigung a, die das Fahrzeug beim Bremsen erzielen muss. Typische Werte für die Beschleunigung liegen bei a = 1,0 bis 1,5 m/s 2. Analog berechnet sich die umgesetzte Leistung der Axialkolbenmaschine aus dem Volumenstrom V g und der Druckdifferenz Δp zwischen Hochund Niederdruck. Somit resultieren nachfolgende Nenngrößen für die Axialkolbenmaschinen: Stapler: Serielles HRB, ohne zusätzliche Hydraulikeinheit (Abb. 5) Entsorgungsfahrzeug: Paralleles HRB, V g = 250 cm3/u (Abb. 4) Bei letzterer Variante ist die Kopplung der Pumpe in den Antriebstrang so ausgelegt, dass bei der maximalen Fahrgeschwindigkeit v max, bis zu der mit dem HRB gebremst wird, die Nenndrehzahl der Pumpe entsteht..6.3ventile und Niederdruckspeicher Die notwendigen Ventile für die beiden Systemlösungen ergeben sich aus dem maximal auftretenden Druckniveau und den Volumenströmen, die über die Ventile mit möglichst geringen Druckverlusten fließen. Bei einem geschlossenen Kreislauf kann zwischen einem Niederdruckblasenspeicher (S LP) oder einen vorgespannten oder belüfteten Standardtank gewählt werden. Die Dimensionierung eines Niederdruckblasenspeichers erfolgt analog zur Größe des Hochdruckspeichers (S HP). Ein Tank hingegen muss mindestens das Volumen aufnehmen können, das sich aus der Änderung des Volumens der Gasblase des Hochdruckspeichers ergibt. Somit ergeben sich für die definierten Fahrzeugklassen folgende Mindesttankgrößen: Stapler: 12 Liter Entsorgungsfahrzeug: 30 Liter 7Fahrzeugauswahl und dynamische Simulation Aufgrund der Funktionsweise des HRB sind die Fahrzyklen und Rahmenbedingungen der jeweiligen Fahrzeuganwendungen für die potentielle Energieneinsparung entscheidend. So ist ein HRB-Einsatz nur dann sinnvoll, wenn in dem typischen Arbeitszyklus des Fahrzeugs eine ausreichende Bremsenergie vorhanden und die Energierekuperation wirtschaftlich umsetzbar ist. Um dies zu gewährleisten, sind bei der Auswahl von wirtschaftlich und technologisch sinnvollen HRB-Anwendungen die nachfolgenden Parameter zu analysieren und zu bewerten: Fahrzeugmasse Roll- und Luftwiderstand Geschwindigkeit (Geschwindigkeit bei Beginn und Ende des Bremsvorgangs)

9 149 Vorwort Verzögerung Bremsintervall (Häufigkeit des Bremsvorgangs). Neben der Masse des Fahrzeuges selbst, dem Untergrund, auf dem es fährt und der Geschwindigkeit, auf die es beschleunigt wird, spielt der Einsatzzyklus des Fahrzeuges eine sehr große Rolle bei der Höhe der Kraftstoffersparnis. Ein Müllfahrzeug fährt von einem Haltepunkt an, beschleunigt und bremst bei dem folgenden Haltepunkt wieder ab. Bei einem Müllfahrzeug (Masse 25 Tonnen, Leistung 200 KW, durchschnittlicher Kraftstoffverbrauch reiner Anteil für Fahren 10l/h), das zwischen den Sammelstellen auf 25 km/h beschleunigt, beträgt die Kraftstoffeinsparung je nach Abstand der Sammelstellen bis zu 25 Prozent. Auch bei einem Stapler ist der Einfluss der Fahrstrecke zwischen dem Aufladen und dem Ablassen der Ladung von großer Bedeutung. So ist der Einsatz von HRB insbesondere für die nachfolgenden Fahrzeuge mit intensiven Arbeitszyklen von besonderem Interesse wie zum Beispiel Stapler und Müllfahrzeuge. Die realitätsnahe Simulation von Fahrzeugmodellen zeigt erhebliche Verbrauchssenkungen durch HRB im Vergleich zu konventionellen Antrieben auf. Hierbei nutzt Rexroth mit Verbrauchskennfeldern hinterlegte Dieselmotormodelle im Simulationstool AMESim. Abb. 7: Zyklus Müllfahrzeug Nachfolgend werden die einzelnen Ergebnisse aus den Simulationen am Beispiel eines Müllfahrzeugs (paralleles HRB) und eines Staplers (serielles HRB) vorgestellt..7.1paralleles HRB am Beispiel Entsorgungsfahrzeuge Für die dynamische Simulation des parallelen HRB bei einem Entsorgungsfahrzeug für Hausmüll liegen folgende Zyklenparameter zu Grunde (Abb. 7): Die typische Verzögerung / Beschleunigung beträgt -0,65 / +1,4 m/s² bei einer Höchstgeschwindigkeit von 25 km/h. Die Halteabstände betragen je nach Fahrstrecke zwischen 30 und 100 m (Durchschnitt = 65 m). Die Simulationsergebnisse zeigen eine Kraftstoffeinsparung von bis zu 25 Prozent durch das HRB-System (Abb. 8). Zudem veranschaulicht die Simulation deutlich die beim Start höheren Beschleunigungen durch den Hybridantrieb. Da-

10 Tagung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen 150 durch erreicht ein Fahrzeug mit HRB früher den nächsten Haltepunkt. Alternativ wäre bei gleicher Beschleunigung die Verwendung eines kleineren Verbrennungsmotors möglich (Downsizing). Abb. 8: Simulationsergebnisse Müllfahrzeug.7.2Serielles HRB am Beispiel Stapler Als Basis für die Simulation diente ein Zehn-Tonnen-Stapler mit hydrostatischem Fahrantrieb. Dazu wurde das zuvor beschriebene serielle System in den hydraulischen Kreislauf appliziert. Als Zyklus wurde ein typischer Y-Ladezyklus mit 5t Nutzlast vorgegeben (Abb. 9). Der Stapler beschleunigt dabei bis auf Maximalgeschwindigkeit (23 km/h). In Abbildung 10 sind die Simulationsergebnisse eines Standardantriebs, dem eines Antriebs mit seriellem HRB gegenübergestellt. Die Ergebnisse zeigen eine Kraftstoffeinsparung von bis zu 25 Prozent durch ein in den Hydraulikkreislauf integriertes HRB.

11 151 Vorwort Abb. 9: Zyklus Stapler (Weg- und Geschwindigkeitsprofil) Abb. 10: Simulationsergebnis Stapler

12 Tagung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen 152 8Fazit Das Hydrostatisch Regenerative Bremssystem (HRB) von Rexroth ist für die reine Rekuperation der Bremsenergie eine wirtschaftlich sinnvolle Lösung und eröffnet die Einsparpotenziale von Hybridantrieben auch für Nutzfahrzeuge und mobile Arbeitsmaschinen. Dazu werden Serien- und seriennahe Komponenten konfiguriert und zu maßgeschneiderte Systemlösungen für die jeweiligen Fahrzeugtypen mit hoher Verlässlichkeit kombiniert. Dabei erfordert die Integration von HRB nur geringe Modifikationen des Antriebsstrangs und eröffnet so die Möglichkeit einer wirtschaftlichen Nachrüstung. Der Kraftstoffeinsparung durch HRB stehen die Mehrkosten für zusätzliche Systemkomponenten gegenüber, die sich je nach Fahrzeugtyp, System und Fahrzyklus unterschiedlich schnell amortisieren. Bei extrem kurzen Arbeitszyklen, wie sie bei Entsorgungsfahrzeugen und Staplern üblich sind, senkt der HRB- Einsatz den Kraftstoffverbrauch um bis zu 25 Prozent. Diese Einspareffekte erzielt der Betreiber dauerhaft bei geringen, einmaligen Zusatzkosten. Vorteile des regenerativen Bremssystems auf einen Blick: Verbrauchsreduzierung um bis zu 25 Prozent durch hydraulische Rekuperation der Bremsenergie Äquivalente Emissionsreduzierung Reduzierung des Bremsenverschleißes und des Feinstaubabriebs durch hydraulisches Bremsen Verbesserte Fahrzeugbeschleunigung durch hydraulische Unterstützung (Boost) beziehungsweise Möglichkeiten für ein Downsizing des Verbrennungsmotors Einfache Systemintegration sowie Möglichkeit zur Fahrzeugnachrüstung Geringe Kosten für Systemkomponenten.

13 153 Vorwort 9Literatur [1] John M. Miller, Miller J-N-J, Design Services, Comparative Assessment of Hybrid Vehicle Power Split Transmission, 4 th VI Winter Workshop Series, [2] Regenerative Braking for Buses Gives Big Fuel Saving, D. Scott, J. Yamaguchi, pp , Automotive Engineering, vol. 92, No. 10, Oct [3] F. Korkmaz, H.-P. Willumeit, B. Benneter, Th. Thier: Stadtlinienbus mit hydrostatischer Bremsenergierückgewinnung (HYDROBUS); (City Line Bus with Hydrostatic Recovery of Braking Energy). Hydraulik und Pneumatik, 23 (1979). No. 7, pp , Kraussko pf-verlag, Mainz. [4] Ch. Anderson, R. Paulsen, H.-P. Willumeit: Entwicklung von Prototypfahrzeugen mit hydrostatischer Bremsenergierückgewinnung HYDROBUS, Ergebnisse der Fahr- und Prüfstandsversuche [5] P. Willumeit, B. Bennter: HYDRO-BUS Acity Bus with Braking Energy Recovery. Proc. XIX. Int. FISITA Congress, Vol. 2, Paper No , 1982, Melbourne, Australia.

14 Tagung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen 154 NOTIZEN

15 155 Vorwort NOTIZEN