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O+P Fluidtechnik 9/2019

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FORSCHUNGSFONDS

FORSCHUNGSFONDS FLUIDTECHNIK ELEKTRISCH-HYDRAULISCHER HYBRID IM GESCHLOSSENEN KREIS Hans-Norbert Kossen, M.Sc., Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, IMN, der TU Braunschweig Förderung: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V. (AiF) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), IGF-Nr. 19653 N/1 FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG ZIELSETZUNG Der Fokus innerhalb dieses Forschungsvorhabens liegt auf der Betrachtung des Spül- und Speisekreises hinsichtlich einer energetischen Aufwertung des hydrostatischen geschlossenen Kreises. Im Gegensatz zu bestehenden Ansätzen bietet der betrachtete Ansatz anwendungsübergreifend und nicht zyklusgebunden Einsparpotential. Der Spül- und Speisekreis dient innerhalb des geschlossenen Kreises der Regulierung des Niederdruckniveaus sowie der Sicherstellung von Filterung und Kühlung des Hydraulikfluides. Üblich ist die Verwendung einer Hilfspumpe mit konstantem Hubvolumen, welche an die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt ist. Die Ausspeisung des Spülvolumenstromes erfolgt aus dem Niederdruckbereich. Zur Aufrechterhaltung des Druckniveaus dient ein Druckhalteventil, ein Druckbegrenzungsventil verhindert ein Übersteigen des Maximaldruckes. Eine bedarfsorientierte Versorgung bietet gegenüber der derzeitig pauschalen Versorgung bedeutendes Energieeinsparpotential. Über mehrere Technologiestufen von adaptiver Volumenstromund Druckregelung bis hin zu rekuperations- und speicherfähigen Konzepten soll das Potential eines elektrisch-hydraulischen Hybridsystems als Spül- und Speisekreis untersucht werden. Hauptziele für die Entwicklung sind die bedarfsgerechte Versorgung aus dem Speisekreis, die Minimierung der Energieverluste durch Abdrosselung sowie die Einrichtung einer elektrisch-hydraulischen Systemschnittstelle bei vertretbarem Kosten-Nutzen- Verhältnis. Im Rahmen dieses Projektes sollen unterschiedliche Betriebsmodi für die jeweiligen Technologiestufen erarbeitet werden. Als Referenzsystem dient der einfache, über Ventile auf einen konstanten Druck geregelte Spül- und Speisekreis mit Konstantpumpe. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Mit dem Ziel einer nicht zyklusgebundenen Effizienzsteigerung des geschlossenen Kreises einer mobilen Arbeitsmaschine mit dem Fokus auf dem Spül- und Speisekreis wird innerhalb des vorliegenden Forschungsvorhabens ein neues, übergreifendes Forschungsfeld betreten. Die pauschale Versorgung durch einen von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine abhängigen Volumenstrom bei einem fest definierten Druck kann sich nicht am variablen Speiseölbedarf orientieren. Die Einrichtung einer bedarfsabhängigen Versorgung des geschlossenen Hydraulikkreises bietet Energieeinsparpotential. Über die Betrachtung von adaptiven Volumenstrom- und Druckregelungen bis hin zu rekuperations- und speicherfähigen Konzepten soll das Potential eines elektrisch-hydraulischen Hybridsystems als Spül- und Speisekreis untersucht werden. Für jede dieser Technologiestufen sollen unterschiedliche Betriebsmodi herausgestellt werden. Ein konventioneller geschlossener Kreis mit zwei Verstelleinheiten und einer konstanten Speisepumpe im Spül- und Speisekreis dient als Referenz für die Neuentwicklungen. Mithilfe des Versuchsstandes sollen die Simulationsmodelle des Referenzsystems sowie der Neuentwicklungen validiert werden. Im weiteren Vorgehen sollen das energetische Potential des Spül- und Speisesystems und das energetische Potential des Gesamtsystems ermittelt werden. Einen Schwerpunkt stellt dabei die Entwicklung von Betriebsstrategien dar. Diese sollen zunächst in den Simulationsmodellen und nach Identifikation jeweils einer Lösung je Systemtopologie am Versuchsstand umgesetzt werden. 14 Versuchsstand des Referenzsystems 56 O+P Fluidtechnik 9/2019

FORSCHUNGSFONDS FLUIDTECHNIK ENTWICKLUNG VON METHODEN ZUR BILDUNG EINES REPRÄSENTATIVEN BETRIEBSLASTKOLLEKTIVS UND EINER REGELBASIERTEN STEUERSTRATEGIE Shirui Ouyang, M.Sc., Teilinstitut Mobile Arbeitsmaschinen, MOBIMA, des KIT Förderung: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V. (AiF) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), IGF-Nr. 19333 N/1 ZIELSETZUNG Ziel des Projektes ist die Ableitung der für einen repräsentativen Lastzyklus relevanten Größen, um die Auswirkungen einer Effizienzsteigerungsmaßnahme für hydrostatische Antriebe, die an Hand eines Lastzyklus bewertet wurde, hinsichtlich der Betriebszeit einer Maschine prognostizieren zu können. Es wird so möglich sein, für einen repräsentativen Zyklus relevante Parameter zu identifizieren, mit dem das Einsparpotential auf die gewöhnliche Betriebszeit einer Maschine hochgerechnet werden kann. Eine Abweichung zwischen der in einem spezifischen Zyklus und der während der Betriebszeit einer Maschine ermittelten Effizienzsteigerung ist wahrscheinlich. Gelingt es jedoch aufgrund des Einsatzes einer Maschine und mit Hilfe eines speziellen Zyklus das Effizienzsteigerungspotential einer Maßnahme über die Betriebszeit der Maschine mit definierbaren Toleranzen zu bestimmen, so kann diese objektiver beurteilt werden. Dies würde insbesondere das Entwicklungsrisiko minimieren und auch kalkulierbarer machen. Maschinen. Sie liefern neben den Komponenten meist auch ganze Systeme, z. B. einen hydrostatischen Fahrantrieb oder die Antriebstechnik für die Arbeitsfunktionen einer Maschine. Auch diese Industrie würde von den Ergebnissen profitieren, indem sie Optimierungsmaßnahmen, die auf Basis eines Zyklus entwickelt wurden, in Bezug auf die wirtschaftliche Umsetzung in einer Maschine beurteilen könnte. 15 Die Minimierung der Abweichung zwischen Optimalsteuerung (74 %) und regelbasierter Steuerung (60 %) ist der nächste Schritt im Forschungsprojekt ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Die im Projekt erarbeiteten Ergebnisse liefern Erkenntnisse zur Übertragbarkeit von Effizienzsteigerungsmaßnahmen, die an einem spezifischen Zyklus erarbeitet wurden, und zum möglichen Einsparpotential während der üblichen Betriebszeit einer Maschine. Sie werden durch die methodische Verallgemeinerung auf das gesamte Spektrum der mobilen Arbeitsmaschinen anwendbar sein und in einem Leitfaden dokumentiert. Von den Maschinenherstellern können diese Ergebnisse direkt genutzt werden, um entsprechende Optimierungsmaßnahmen beurteilen zu können oder neue Antriebssysteme für die Maschinen zu entwickeln. Der Markt der mobilen Arbeitsmaschinen ist geprägt von vielen KMU (kleine und mittlere Unternehmen), die spezialisierte Maschinen in kleinen Stückzahlen herstellen. Gerade diese Hersteller profitieren von den Ergebnissen, da Prototypen relativ teuer sind und meist sogar nach der Erprobung auf den Markt gelangen. Da diese Unternehmen zudem sehr schnell am Markt agieren, kann auch eine rasche Umsetzung der Ergebnisse erwartet werden. Die Zulieferindustrie, z. B. die Mobilhydraulik- oder Steuerungshersteller, besitzen häufig ebenfalls Kompetenzen im Bereich der O+P Fluidtechnik 9/2019 57

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