Alternative Antriebskonzepte Ein Beobachtungsbericht von der bauma 2010 Franziska Peisker, Tim Bögel Technische Universität Dresden tu-dresden.de/bft Ein nachhaltiger Ressourceneinsatz sowie umweltschonende Antriebskonzepte werden auch im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen immer stärker gefordert. Durch eine Senkung des fossilen Kraftstoffverbrauchs sollen die Emissionsauflagen erfüllt und die Effizienz gesteigert werden. Als Lösungsansätze kommen innermotorische sowie nachgelagerte Abgasbehandlungen in Frage. Diese sind jedoch durch den zur Verfügung stehenden Bauraum und die Endlichkeit der fossilen Brennstoffe in einem solchen Maß begrenzt, dass auch im Bereich der Offroad-Maschinen dieselelektrische Antriebe und Hybridtechnologien Einzug halten. Die Firma CATTERPILLAR stellte auf der bauma 2010 den dieselelektrischen Kettendozer vom Typ D7E vor. Dieses Antriebssystem besteht aus einem Verbrennungsmotor und einem Generator, welcher die vom Motor zur Verfügung gestellte Energie in elektrischen Strom umwandelt. Bild 1: D7E Kettendozer mit dieselelektrischem Antriebskonzept [1] 1
Bild 2: Antriebsstrang des D7E mit Dieselmotor, Wechselstromgenerator, Wechselstrommotoren sowie Differentiallenkgetriebe [1] Durch den erzeugten Strom werden sowohl der Fahrantrieb bestehend aus vier Radnabenmotoren als auch Sekundäraggregate wie Klimaanlage, Heizung oder Wasserpumpe angetrieben. Vorteilhaft ist, dass die verwendeten Elektromotoren immer optimal an die Einsatzbedingungen angepasst werden können. Da der Verbrennungsmotor in einem engeren Drehzahlbereich arbeitet, findet ein im Vergleich zum Wettbewerb kleinerer Motor Verwendung. Dies hat einen reduzierten Kraftstoffverbrauch von 10-30% zur Folge. Im Antriebsstrang verzichtet man auf Drehmomentwandler, Lastschaltgetriebe und zugehörige Antriebswellen, was die Anzahl der bewegten Teile senkt. Weiterhin verringert sich die Menge der erforderlichen Betriebsflüssigkeiten, da zum Beispiel die Elektromotoren über das Getriebeöl gekühlt werden. Das gezeigte Antriebskonzept verspricht höhere Produktivität bei sinkenden Betriebskosten. Eine Weiterentwicklung des dieselelektrischen Antriebsstranges stellt der Hybridantrieb dar. 2003 definierte die UNO den Begriff Hybridfahrzeug folgendermaßen: Als Hybridfahrzeug wird ein Fahrzeug bezeichnet, welches mindestens zwei Energieumwandler und zwei Energiespeichersysteme besitzt (im Fahrzeug verbaut) um es anzutreiben. Die Vorteile von Hybrid Antriebskonzepten sind: Verbrennungsmotor läuft im optimalen Drehzahlbereich mit hohem Wirkungsgrad Motorarbeitspunktverschiebung (automatische Wahl des verbrauchgünstigsten Gangs) Motor mit geringerer Nennleistung gegenüber konventionellem Antrieb verwendbar - Kraftstoffeinsparung, Betriebskostensenkung - Geringere Abgasemissionsklasse Start Stop Automatik zur Vermeidung unnötigen Leerlaufbetriebs Power Boost Funktion (zusätzliche zur Verfügung gestellte Energie bei Lastspitzen) Rekuperation (Zurückgewinnung kinetischer Bremsenergie) Elektrifizierung von Nebenaggregaten 2
Bereits auf der bauma 2007 stellte die Firma DEUTZ ein mild Hybridsystem, bei dem der Motor- Generator zwischen Dieselmotor und Hydraulikpumpe angeordnet ist, vor. Auf der diesjährigen bauma wurde ein verbessertes Konzept dieser Ausführung vorgestellt. Nachfolgend sind die technischen Daten beider Varianten gegenübergestellt. bauma 2007 bauma 2010 Verbrennungsmotor Bauart 4-Zylinder-Dieselmotor 4-Zylinder-Dieselmotor Leistung 36,9kW bei 2100min-1 55,4kW bei 2600min-1 Elektromotor Bauart Permanenterregte Synchronmaschine Permanenterregte Synchronmaschine Nennleistung 10kW 30kW Spitzenleistung 30kW 60kW Batterie Bauart Bleibatterie Bleibatterie Leistung 30kW 60kW Tabelle 1: Vergleich Hybridsysteme der Fa. DEUTZ [2] Bild 3: DEUTZ Hybridkonzept (rot: Generator, oben: Batterie, unten: Umrichtereinheit) [3] Der Hybridantrieb von der bauma 2007 wird serienmäßig im Radlader vom Typ AR 60-Hybrid II der Firma ATLAS verbaut. Dabei ist eine installierte Motorleistung von 37kW vorhanden. Der Produktionsstart des verbesserten Antriebssystems ist 2012. 3
Bild 4: ATLAS AR 60 Hybrid II Radlader [3] Die Firma ZF stellte auf der bauma 2010 den Parallelhybrid ERGO POWER Hybrid vor. Als elektrische Maschine stehen verschiedene Varianten zwischen 85 und 120KW zur Verfügung. Bild 5: Hybridkonzept der Fa. ZF (links: Li-Ionen-Batterie, mitte: Umrichtereinheit) [3] 4
Bild 6: ERGO POWER Getriebe der Fa. ZF mit Generator [3] Das bereits serienmäßig in Arbeitsmaschinen eingesetzte ERGO POWER Getriebe bildet einen der Hauptbestandteile. Die verwendete Lithium-Ionen Batterie besitzt 2kW Leistung und wurde von Continental entwickelt. Durch Verknüpfung einsatzerprobter und stabil laufender Einzelkomponenten wird das Ausfallrisiko minimiert. Kombiniert man den ERGO POWER Hybrid mit den Komponenten des EFFICENCY PA- CKAGES von ZF soll eine Kraftstoffeinsparung von 20% sowie eine Effizienzsteigerung von 40% gegenüber vergleichbaren konventionellen Maschinen erreicht werden. Quellen [1] Produktbroschüre Catterpillar D7E Kettendozer [2] www.deutz.de (05.05.2010) [3] Bilder von Peisker/Bögel Autor Franziska Peisker, Tim Bögel Technische Universität Dresden Professur Baumaschinen- und Fördertechnik (Post) D - 01062 Dresden (Besucher) Münchner Platz 3, D - 01069 Dresden Internet: tu-dresden.de/bft 5