Konzept zum Reduzieren des Kraftstoffverbrauchs von Kompaktbaumaschinen

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1 Konzept zum Reduzieren des Kraftstoffverbrauchs von Kompaktbaumaschinen Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs sowie der Schadstoffemission Uwe Hammer InoHa, Hausham Steigende Kraftstoffpreise sowie die Anforderung die Schadstoffemission mobiler Arbeitsgeräte zu reduzieren, stellen die Hersteller von Baumaschinen vor die Herausforderungen ihre Konzepte neu zu überdenken um den ständig steigenden Anforderungen gerecht zu werden. Im folgenden Beitrag wird ein Konzept beschrieben, welches auf einfache Weise eine erhebliche Reduzierung des Kraftstoffverbrauches bei Kompaktbaumaschinen oder Flurförderfahrzeugen ermöglicht. 1 Einleitung Das von der Firma INoHA zum Patent angemeldete Konzept insbesondere für Kompaktbaumaschinen und Flurförderfahrzeuge ermöglicht die Reduzierung des Kraftstoffverbrauches sowie der Schadstoffemission ohne dass hohe Investitionen oder komplexe neue Technologien erforderlich sind. Bereits bekannte Komponenten werden in innovativer Weise miteinander verbunden, so dass sowohl die Entwicklungskosten als auch das Entwicklungsrisiko auf ein Minimum reduziert wird. Mit diesem Konzept sind Kraftstoffersparnisse im Bereich von 30% und mehr möglich (je nach Anwendungsform). Weiterhin ist eine Reduzierung der Schadstoffemission, der Geräuschemission und des Bauteilverschleißes möglich. 2 Das Konzept Im Unterschied zu bekannten Systemen arbeiten hier der Verbrennungsmotor und das Hydrauliksystem Hand in Hand, es gibt kein Nebeneinander, sondern ein Miteinander dieser beiden Hauptkomponenten jeder Baumaschine. Der Grundgedanke besteht darin, dass das System bestehend aus dem Dieselmotor und der Hydraulikpumpe immer in einem Betriebspunkt mit maximalem Wirkungsgrad betrieben wird. Hierzu wird der Einfluss des Bedieners auf die Motordrehzahl eliminiert. Die elektronische Regelung des Systems erfolgt mit Hilfe des Steuergerätes des Verbrennungsmotors. Die Regelung der Hydraulikpumpe erfolgt rein mechanisch. Als Hydraulikkreis ist ein Load Sensing System im offenen Kreis mit einer verstellbaren Hydraulikpumpe vorgesehen, wobei sämtliche hydraulische Systeme wie beispielsweise die Arbeitshydraulik und die Fahrhydraulik von einer Hydraulikpumpe gespeist werden, wodurch die Systemkosten gesenkt werden. 1

2 Bild 1: Load Sensing Hydraulikkreis 3 Die Funktionsweise Sowohl der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors als auch der Wirkungsgrad der Hydraulikpumpe sind stark vom Betriebspunkt abhängig. Bild 2 zeigt deutlich, dass der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors, welcher bereits einen sehr günstigen Teillastwirkungsgrad aufweist, bei jeweils gleicher Last, bei geringen Drehzahlen besser ist als bei hohen Drehzahlen. 2

3 Bild 2: Wirkungsgradkennlinie eines Verbrennungsmotors Beträgt der Kraftstoffverbrauch für eine Leistung von 10 KW bei einer Drehzahl von /min ca.290 g/kwh, so beträgt er bei /min nur ca. 247 g/kwh. Dies entspricht einer Verbesserung des Wirkungsgrades um ca. 15%. Gleichzeitig ist anhand der Kennlinien in Bild 3a und Bild 3b erkennbar, dass die Hydraulikpumpe den besten Wirkungsgrad bei voll ausgeschwenkter Schwenkscheibe und entsprechend angepasster Drehzahl hat. Bei betriebspunktoptimaler Drehzahl ist eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Hydraulikpumpe von bis zu 30 % möglich. Die Erhöhung des Wirkungsgrades ist umso größer, je weiter der Betriebspunkt vom Nennlastpunkt entfernt ist. 3

4 Bild 3a: Wirkungsgradkennlinie eines verstellbaren Hydraulikpumpe bei konstanter Drehzahl Bild 3b: Wirkungsgradkennlinie eines verstellbaren Hydraulikpumpe bei maximalem Schwenkwinkel 4

5 Um dies zu ermöglichen, verfügt der Verbrennungsmotor über einen in dessen Steuergerät integrierbaren Regler, welcher im Wesentlichen aus einem Kennfeld für die Ermittlung der aktuell Motorleistung und der Kennlinie, mit deren Hilfe das Wirkungsgradoptimum ermittelt wird, besteht. Aus der Ist-Drehzahl und der Menge des eingespritzten Kraftstoffes wird die aktuelle Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors ermittelt, welche der Kennlinie des Wirkungsgradsoptimums als Eingangsgröße dient. Mit Hilfe dieser Kennlinie wird dann die Drehzahl ermittelt bei welcher das System bestehend aus Verbrennungsmotor und Hydraulikpumpe mit optimalem Wirkungsgrad betrieben wird. Die infolge der Drehzahlanpassung des Verbrennungsmotors verursachte Änderung der Fördermenge der Hydraulikpumpe wird durch diese mit Hilfe des Load Sensing Systems automatisch ausgeglichen. Der Bediener hat keinen direkten Zugriff auf die Motordrehzahl, er gibt über die verschiedenen Steuerventile einen Leistungswunsch vor, die Drehzahl des Verbrennungsmotors, sowie der Schwenkwinkel der Schwenkscheibe werden automatisch angepasst. Bild 4: Reglerstruktur 4 Der Verbrennungsmotor Moderne Dieselmotoren zeichnen sich durch einen günstigen Drehmomentverlauf insbesondere im Bereich geringer Drehzahlen aus. Bild 5 zeigt beispielhaft den Drehmomentverlauf verschiedener TDI-CR Motoren von VW, welche ihr maximales Drehmoment bereits bei einer Drehzahl von ca /min erreichen. Erreicht wird dieser günstige Drehmomentverlauf durch den Einsatz von modernen VTG Turboladern. Der Einsatz von PKW Motoren bei Kompaktbaumaschinen oder Flurförderfahrzeugen, hat den Vorteil, dass die Kosten eines solchen Motors aufgrund der hohen Stückzahlen gering sind. Um die Lebensdauer eines solchen Motors zu erhöhen, kann die Drehzahlgrenze auf ca /min gesenkt werden. Mit Hilfe eines auf diese Maximaldrehzahl ausgelegten Turboladers, welcher gegenüber dem Serienlader kleine ausgeführt werden kann, ist noch eine weitere Verbesserung 5

6 des Drehmomentverlaufes möglich, so dass das Maximaldrehmoment bereits bei Drehzahlen von ca /min möglich ist. Eine solche Drehmomentcharakteristik kommt dem beschriebenen Konzept sehr entgegen, da dies einen Betrieb im Bereich kleiner Drehzahlen ermöglicht, ohne dass es dabei zu Problemen beispielsweise bei Bergauffahrten kommt. Ein weiterer Vorteil von PKW Motoren ist die im Hinblick auf Abgasemission ausgereifte Technik, welche für Kompaktbaumaschinen oder Flurförderfahrzeuge übernommen werden kann, wodurch die geforderten Emissionswerte leicht eingehalten werden können. Bild 5: Drehmomentverlauf eines modernen Dieselmotors für PKW 4 Vorteile des beschriebenen Konzeptes erhebliche Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs Reduzierung der Abgasemission Reduzierung der Geräuschemission basierend auf bekannter Technologie geringes Entwicklungsrisiko keine hohen Investitionen erforderlich keine zusätzlichen Sensoren im Hydraulikkreis erforderlich nur ein zentrales Steuergerät erforderliche Hydraulikkomponenten am Markt erhältlich Applikation auf unterschiedliche Baumaschinen übertragbar 6

7 5 Entwicklungsstand Bisher befindet sich das beschriebene System noch im Konzeptstadium, da wir noch auf der Suche nach Entwicklungspartnern sind. INoHA hat seine Kernkompetenz vor allem im Bereich Regelung und Applikation von Verbrennungsmotoren insbesondere Dieselmotoren und der Entwicklung von Konzepten für mobilhydraulische Anlagen. Im ersten Schritt ist der Aufbau eines vereinfachten Systems auf einem Prüfstand für Verbrennungsmotoren angedacht, um die Reglerauslegung und eventuelle Applikationsanpassungen durch zu führen, und falls erforderlich die Verbrauchskennlinie des Verbrennungsmotors zu ermitteln. Vorab ist eine Reglersimulation sinnvoll, um die Prüfstandskosten gering zu halten. Ein nächster Schritt wäre der Aufbau eines Versuchsträgers beispielsweise eines Kompaktradladers um anschließend entsprechende Feldversuche durchführen zu können. Vorteilhaft ist, dass keine hohen Investitionskosten erforderlich sind, da die Hauptkomponenten am Markt frei erhältlich sind. Auch das Entwicklungsrisiko ist gering, da das Konzept auf bereits bekannten Systemen basiert. Quellen Bilder: INoHA Auto Uwe Hammer INoHA Obere Tiefenbachstraße 20 D Hausham Tel.: +49 (0) 8026/ Internet: 7

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