Simulative Untersuchung alternativer Versorgungskonzepte in einem Kettenbagger

Transkript

1 Simulative Untersuchung alternativer Versorgungskonzepte in einem Kettenbagger

2 Gliederung Einleitung Maßnahmen Modellierung Ergebnisse Zusammenfassung 2 von 21

3 Neue Abgasnormen für mobile Arbeitsmaschinen Gesetzgebung verlangt Einhaltung strenger Emissionsgrenzwerte (TIER4/STAGE IV) Partikelemissionen für 130 kw Motoren ab 2011 bzw. 56 kw ab 2012 NO X Emissionen für 130 kw Motoren ab 2014 bzw. 56 kw ab 2015 Innermotorische Maßnahmen und Abgasnachbehandlungssysteme werden notwendig Motoren geringer Leistung verringern den Aufwand zur Abgasnachbehandlung Bei ganzheitlicher Betrachtung der Maschine besteht Bedarf nach effizienterer Arbeitshydraulik Quelle: NO X /HC/CO/PM [g/kwh] 3 von 21

4 Hydraulische Antriebe eines Kettenbaggers Stiel Ausleger Löffel Drehwerk 4 von 21

5 Einkreis Load-Sensing Swing Drehwerk Drive Ausleger Boom Stiel Arm Löffel Bucket Controller 5 von 21

6 Gründe für Energieverluste in LS-Systemen Stiel Löffel Ausleger P 100 bar 200 bar P Verluste 125 bar 25 bar Q 225 bar Unterschiedliche Lastdrücke und die systembedingte Basisdruckdifferenz über dem Ventil führen zu hohen Drosselverlusten 6 von 21

7 Gliederung Einleitung Maßnahmen Modellierung Ergebnisse Zusammenfassung 7 von 21

8 Lösungsansätze I Einzelner Komponenten Steuer- und Regelalgorithmen Optimierung II Hybride Ansätze Rein hydraulische Ansätze Neue Systemlösungen III Einzelner Verbraucher Einzelner Steuerelemente Substitution V Fahrer Geschulter Fahrer IV Adaption von Energierückgewinnungssystemen Hydraulisch Regelmäßige Fahrerwechsel Stand der Technik Elektrisch Mechanisch 8 von 21

9 Sekundärdruckanpassung Swing Drehwerk Drive Ausleger Boom Arm Stiel Löffel Bucket Controller 9 von 21

10 Gliederung Einleitung Maßnahmen Modellierung Ergebnisse Zusammenfassung 10 von 21

11 Modellierung F_auf_Löffel F_auf_Stiel 1 / i_g M_Schwenk Signal223 Signal1 Signal2 Signal4 OnlineDatenImport1 Signal5 Lastzyklus x_ausleger, ist F_auf_Ausleger x_löffel, ist x_stiel, ist i l M mechrotsignal1 M2 Phi_Schwenk, ist SD p_schwenk, links p_schwenk, rechts 2 p_ausleger, Stange RBS2 2 2 p_l_st 2 p_rbs4 RBS4 p_s_st DBVstatisch3 DBVstatisch5 1 A_l p_rbs1 RBS1 p_a_k 1 p_rbs2 A_r 1 L p_l_k 1 Stiel p_rbs3 RBS3 p_s_k LS1 LS2 LSVentil1 Volumen6 LSVentil3 ls LSVentil2 v1 v2 LSVentil4 Volumen7 ls1 Signal6 Signal7 Ausleger Löffel Stiel Drehwerk Signal8 Signal9 Fahrer Q pp1 Q pp2 Signal14 Signal15 Driver Volumen2 Volumen16 Dieselmotor Signal11 p_0 DBVstatisch1 sv1 Signal13 DBVstatisch4 Engine_Control Signal10 Eingine M1 VP1 Signal12 VP2 Versorgung Volumen17 Tank1 11 von 21

12 Zusammenspiel Motor Pumpe Hydraulisches Netzwerk Es gilt somit für den Gesamtwirkungsgrad p nv ( E dt ges f, n, p) Fuel Hydr Der Druck p wird durch die Last vorgegeben und ist systemspezifisch Das maximale Schluckvolumen V ist unveränderlich Diesel Pumpe,mech f ( M, n ) 2 n M E dt Fuel p n V f (, n, p ) 2 M n Der Wirkungsgrad ist - proportional zum Druck und zur Ausschwenkung - antiproportional zur Motordrehzahl Drehzahl und Ausschwenkung verhalten sich komplementär 12 von 21

13 Modellierung des Dieselmotors Δn A T ICE I ICE T L n ICE Drallsatz zur Berechnung der Drehwinkelbeschleunigung und -geschwindigkeit TICE T nice 2 I Last ICE dt n set A T ICE n ICE T L m fuel m Soot Ausgabe von Arbeitspunkten, Kraftstoffverbrauch, Schadstoffemission über eingelesene Kennfelder mnox Berücksichtige Kennfelder - Momentensteigung Beschleunigungsvermögen - Dachmomentenkurve Abregelung infolge Überlast - Schleppmomentenkurve Schleppbetrieb mit aussetzender Dieselinjektion 13 von 21

14 90 -Grabenaushub Weg [mm] Winlkel [ ] Zeit [s] Moment [knm] 1 Ausleger 2 3 Drehwerk 4 Löffel Stiel Kreis 1 Kreis 2 Quelle: Dissertation Dr. Claus Holländer, 14 von 21

15 Gliederung Einleitung Maßnahmen Modellierung Ergebnisse Zusammenfassung 15 von 21

16 Referenz (Einkreis Load-Sensing) 16 von 21

17 Motorarbeitspunkte Referenzsystem Diesel Verbrauch - Gesamtenergie 5265,2 kj - 123,9 g / Zyklus 41,1 l/h - Gesamtenergie Motorwelle 1703,1 kj - Ø-Wirkungsgrad 32,3 % Hydraulik System - Eingebrachte Energie 1703,2 kj - Umgesetzte Energie 599,5 kj - Ø-Wirkungsgrad der Arbeitshydraulik 35,2 % Gesamtwirkungsgrad 11,4 % 17 von 21

18 Sekundärseitige Lastdruckadaption 18 von 21

19 Motorarbeitspunkte - Sekundärdruckadaption Diesel Verbrauch - Gesamtenergie 4842,1 kj - 113,93 g / Zyklus 37,8 l/h - Gesamtenergie Motorwelle 1448,4 kj - Ø-Wirkungsgrad 29,9 % ( ) Hydraulik System - Eingebrachte Energie1448,4 kj - Umgesetzte Energie 599,5 kj - Ø-Wirkungsgrad der Arbeitshydraulik 42,2 % ( ) Gesamtwirkungsgrad 12,6 % ( ) 19 von 21

20 Gliederung Einleitung Maßnahmen Modellierung Ergebnisse Zusammenfassung 20 von 21

21 Zusammenfassung Die Kopplung mit einem Verbrennungsmotormodell in der Simulation ermöglicht die Abbildung der Leistungsbegrenzung und der damit eintretenden Unterversorgung im hydraulischen Kreislauf - Berücksichtigung von Dynamik und Dieselkraftstoffverbauch - Regelkreis der Leistungsbegrenzung über Zurückschwenkung der Hauptpumpe geschlossen Vollständige Verlustbeschreibung der Hydraulikkomponenten über Kennfelder Energetischer Vergleich durch gleiche Lastzyklen in der Simulation möglich aufgrund nicht reproduzierbaren Fahrerverhaltens in der Realität ungenau Für die vorgestellte Maßnahme konnte der hydraulische Wirkungsgrad verbessert werden, jedoch führte dies zu einer Reduktion des Motorwirkungsgrades - Dieselverbrauch reduziert um 3,3 l/h (bez. auf gegebenen Zyklus) - Gesamtwirkungsgrad von 11,4 auf 12,6 % gesteigert 21 von 21

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