Der LH 60 M Industry Litronic ist mit dem patentierten Energierückgewinnungssystem ausgestattet, welches der Maschine eine zusätzliche Mehrleistung verleiht und zugleich eine Kraftstoffersparnis erzielt. (Bild: Liebherr)
Nicht nur die Autobranche steht mit strengen Vorgaben und potenziellen Dieselfahrverboten vor Veränderungen. Auch der Verband der deutschen Maschinenbauer weiß, dass 2017 mit der Europäischen Emissionsverordnung 2016/1628 und Emissions-Stufe V die weltweit strengste Abgasgesetzgebung für mobile Maschinen in Kraft getreten ist.
Zum einen hat Stufe V im Vergleich zu den voran gegangenen Stufen einen erweiterten Anwendungsbereich, da erstmals Motoren mit einer Leistung von weniger als 19 Kilowatt und mehr als 560 Kilowatt einbezogen werden. Für diese Motoren entsprechen die Grenzwerte den US-amerikanischen US-EPA-Tier-4-Grenzwerten. Motoren mit einer Leistung von mehr als 19 Kilowatt und weniger als 560 Kilowatt müssen nicht nur wie in Stufe IV definierte Grenzwerte für Kohlenmonoxid, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und Feinstaubausstoß, sondern zusätzlich einen Grenzwert für die Partikelanzahl einhalten.
Zum anderen regelt die Verordnung auch erstmalig zusätzlich zum Inverkehrbringen des Motors auch das der Maschine. Dadurch hat der Maschinenhersteller ein Zeitlimit für Maschinen mit einem Motor der vorangegangenen Emissionsstufe. Allerdings können alte Motoren durch Umbau oder Reparatur an die neuen Grenzwerte angepasst werden. Ein Dieselpartikelfilter (DPF) erscheint nach dem derzeitigen Technikstand als unausweichlich.
Konstruieren für den Weltmarkt
Eine besondere Herausforderung sehen Mitarbeiter des Hydraulikbaggerbereichs bei Liebherr darin, dass sich die Abgasvorschriften weltweit über die Zeitachse immer weiter diversifizieren. Daher entwickelt der Hersteller Maschinenkonzepte, mit denen unterschiedlichste Anforderungen von der Stufe 0 für Afrika über die Stufe IIIA für Russland bis zur Stufe V für Westeuropa abgebildet werden können. Beispielsweise der Mobilbagger A914compact mit Abgasstufe IV erreicht über eine Kombination aus SCR-Katalysatorsystem und Komponenten wie Injektor und Adblue-Versorgung eine 91-prozentige Reduktion der Stickoxide (NOX). Leistungseinbußen treten durch die Reduzierung der Abgasemissionen nicht auf.
Trends und deren Folgen für die Hydraulik
Neben Effizienzsteigerung der Maschinen und ihrer Hydraulikkomponenten zur Verbrauchsreduzierung, Erhöhung der Verfügbarkeit und Geräuschreduzierung ist in der Baumaschinenbranche ganz klar der Trend zur Fahrerentlastung und Unterstützung über Assistenzsystemen zu sehen. Maschinen werden immer multifunktionaler, um dem Fahrer ein ermüdungsfreies Arbeiten zu erleichtern. Daraus ergeben sich neue Anforderungen an die Hydraulik hinsichtlich Sicherheit und Automatisierungstauglichkeit. Insbesondere die wachsende Anzahl verschiedener Anbauwerkzeuge und der damit einhergehenden unterschiedlichen Anforderungen an die Steuerung müssen abgestimmt werden.
Mit dem optional verfügbaren vollhydraulischen Schnellwechselsystem Likufix und entsprechendem Kupplungsblock für Hydraulikbagger wie dem A914 können mechanische und hydraulische Anbauwerkzeuge direkt von der Kabine aus gewechselt werden. Zwei Näherungssensoren validieren optisch und akustisch das korrekte Andocken und Verriegeln des Werkzeuges. Durch den schnellen Wechsel ist eine durchschnittlich 30 Prozent höhere Auslastung möglich.
Der Anteil an Sensorik in den Maschinen steigt zudem, um durch Ausfallvorhersagen Wartungsaufwände zu reduzieren. Regionale Unterschiede in den weltweiten Märkten ergeben sich nicht nur aus den Abgasbestimmungen, auch unterschiedliche Anforderungen wie klimatische Rahmenbedingungen, länderspezifische Einsatzbedingungen beziehungsweise Eigenheiten wie beispielsweise Arbeitsausrüstungen, Unterwagen und Ausstattungen der Maschinen werden bei Liebherr zusammen mit den örtlich verschiedenen Preisniveaus bei der Entwicklung der Maschinen und ihrer Hydraulik berücksichtigt.
Gerhard Bolz, Entwicklungsleiter bei Liebherr-Hydraulikbagger sagt dazu: „Die Zeiten der reinen Maschinenentwicklung ohne Berücksichtigung durchgängiger Bauprozesse sind vorüber. Ebenso ist eine Entwicklung des Baustellenmanagements nicht möglich, ohne den Stand der Technik der Baumaschine zu berücksichtigen. Mit der zunehmenden Digitalisierung unserer Welt eröffnen sich hier ganz andere Möglichkeiten und Geschäftsmodelle. Offene Fragen unserer Zeit wie zum Beispiel umweltpolitische Fragen zur Reduzierung des Kohlendioxid-Ausstoßes werden nicht durch individuelle Ansätze einzelner Fakultäten, sondern nur durch ganzheitliche Betrachtungsweisen beantwortet – das wird zum Alltag!“
Bei Caterpillar sieht man die Haupthürde zur Umsetzung strengerer Emissionsregeln in der dauerhaften Verfügbarkeit von Dieselkraftstoff mit extrem niedrigen oder sogar ohne Schwefelgehalt an, da ein hoher Schwefelgehalt Abgaskontrollsysteme auf Dauer schädigt. Stufe V der EU Richtlinie kann heute bereits mit einer ganzen Motorenlinie abgedeckt werden.
An der Verbindungstechnik schrauben
Die Größe und Druckwiderstandsfestigkeit von Hydraulikkomponenten sieht man nicht im direkten Zusammenhang mit Abgasvorschriften. Vielmehr wird die Maschine als Gesamtsystem betrachtet, das mit den im eigenen Haus gefertigten Hydraulikschläuchen und -kupplungen ein Optimum an Sicherheit und Performance leisten muss. „Wir können beispielsweise den minimalen Biegeradius von manchen Schläuchen entsprechend den enger werdenden Räumen weiter reduzieren. Etwa 80 Prozent des Schlauchversagens kann auf äußere Einwirkungen wie etwa Abrieb zurückgeführt werden. Daher haben wir unsere Schläuche noch abriebfester entwickelt und die Schlauchführungen in den Maschinen optimiert“, sagt Adrian Fairless, Senior Hydraulic Product Specialist Global Aftermarket Solutions Division bei Caterpillar.
Bei der neuen Kupplungsserie XN wird der Außengummi der Schläuche zur Montage auch nicht mehr abgeschabt, da dies bei falscher Ausführung zu Kontaminierung im Schlauch und schwerwiegenden Fehlern führen kann.
Vor kurzem hat Caterpillar seine nächste Generation von 20-Tonnen-Baggern - den Cat 320 GC, 320 und 323 - auf den Markt gebracht. Der neue Smart-Mode-Betrieb passt die Motor- und Hydraulikleistung automatisch an die Grabbedingungen an und auch die Motordrehzahl wird automatisch gesenkt, wenn kein Hydraulikbedarf besteht. Dadurch wird der Kraftstoffverbrauch weiter reduziert und die Leistung optimiert.
Das neue Kühlsystem verwendet mehrere elektrische Ventilatoren, die unabhängig die Hydrauliköl-, Kühler- und Luft-Luft-Nachkühler-Temperaturen überwachen, um den exakt benötigten Luftstrom zu liefern.
Das Hydrauliksystem der Cat 320 GC, 320 und 323 verfügt über ein neues Hauptsteuerventil, das die Verwendung von Steuerleitungen überflüssig macht, Druckverluste reduziert und den Kraftstoffverbrauch weiter senkt. Durch weniger Hydraulikleitungen an den Baggern werden 20 Prozent weniger Öl benötigt. Herwig Peschl, Global Marketing Manager der Construction Industries bei Caterpillar: „Wir haben unseren Kunden sehr ausführlich zugehört. Bei unserer neuen Maschinen-Generation ging es um Vereinfachung, Innovation und Auswahl. Dies gilt nicht nur für die 20-Tonnen-Größenklasse, sondern für alle unsere Produktlinien.“
Folgen aus Stufe V für die Hydraulik
Die Abgasnachbehandlung als erster logischer Schritt betrifft auch den Bereich Axialkolbenhydraulik bei Liebherr Components. Immer strenger werdende Normen verursachen größeren Platzbedarf. Dies hat direkten Einfluss auf Hydraulik-Komponenten wie beispielsweise den Leckölanschluss, der nun aus Platzgründen an einer Stelle sein muss, wo bisher kein Anschluss vorgesehen ist.
Der zweite logische Schritt ist die gleichzeitige Effizienzsteigerung wie beispielsweise mit der Start-Stopp-Funktion des Dieselmotors. Liebherr hat in die entsprechenden Pumpen ein Rückschlagventil eingebaut und die Hydraulikpumpen mooringfähig gemacht, um eine Energierückgewinnung zu ermöglichen.
Als drittes Thema des Antriebsstranges werde erhöhte Anforderungen an die Kühler-Lüfter-Regelung bis hin zum Stillstand gestellt, um die sensiblen Fenstervorgaben für die Abgastemperatur einzuhalten.
Mehr Sensorik im Hydrauliksystem
Der Trend hin zu mehr Fahrer-Assistenzsystemen erfordert zukünftig „intelligentere“ Hydraulikkomponenten. Deshalb wird zunehmend mehr Sensorik in die Hydraulikzylinder integriert, um beispielsweise die Zylinderposition sowie seinen inneren Zustand zu erfassen. Über das Condition Monitoring werden kritische Einsatzbedingungen erfasst und vermieden und so langfristig die Lebensdauer der Bauteile weiter verbessert.
Weitere Faktoren sind Gewichtsreduzierung und hohe Performance bei hohen Drücken. Unterschiedlichste Umweltbedingungen weltweit und Umweltschutzaspekte wie weiterentwickelte Öle beeinflussen bei Liebherr die Auslegung und das Design der Hydraulikzylinder ebenso maßgeblich wie Diskussionen um alternative Antriebskonzepte mit Elektroantrieb oder Hybridsystem. Dazu meint der Technischer Leiter bei Liebherr-Components Kirchdorf: „Die Branche steht nicht still und wird sich noch mit unvorstellbarer Agilität weiterentwickeln. Wir arbeiten intensiv daran, als Hydraulikzylinder-Hersteller unsere Produkte weiterzuentwickeln, aber auch mit ganz neuen Konzepten unseren Beitrag zu leisten.“
Deutz als einer der weltweit führenden Hersteller von Antriebssystemen mit flüssigkeits- und luftgekühlten Motoren von 19 bis 620 Kilowatt, die auch Baumaschinen und Nutzfahrzeuge antreiben, hat dies ebenfalls erkannt und den Elektroantriebs-Spezialisten Torqeedo übernommen, um schnell auf alternative Antriebe setzen zu können. do
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fluid hakt nach
Zwei Fragen an Karlheinz Vogl, Leitung Vertrieb und Branchenmanagement Baumaschinen, Bosch Rexroth
Was bedeuten die in Europa ab 2019 gültigen Stufe V Abgasvorschriften für die Hydraulik in der Baumaschinen- und Nutzfahrzeugbranche?
Abgasnachbehandlung und innermotorische Maßnahmen allein reichen nicht mehr aus, um diese verschärfte Emissionsgrenzwerte bei gewohnter Leistung zu erreichen. Ein wichtiger Hebel ist die intelligente Regelung elektronifizierter Hydraulik. Die Elektronifizierung bietet für Hersteller erhebliche Potentiale, denn sie verlagern die Varianz in die Software und können bei gleicher Hardware so ihre Maschinen an verschiedene Ausstattungsvarianten anpassen. Die neue Momentensteuerung beispielsweise entkoppelt über die Momentenschnittstelle die Antriebsphysik vom Fahrverhalten der Maschine. Sie interpretiert die Pedalbetätigung als Vorgabe für die Zugkraft der Antriebsräder und ruft anschließend über den Power Manager bedarfsgerecht die notwendige Leistung vom Motor ab.
Unnötig hohe Dieselmotordrehzahlen wie bei konventionellen Systemen werden vermieden. Mit den Kollegen aus anderen Geschäftsbereichen der Bosch-Gruppe betrachten wir intensiv die Vernetzung der Mobilhydraulik mit Regelungstechnik, Motorelektronik und Sensorik und setzen auf offene Standards.
Gibt es weltweit gesehen regionale Unterschiede bei der Produktauslegung?
Unserer Erfahrung nach sind die Anforderungen der Märkte verschieden. Größere Hersteller streben in allen Branchen von ihren traditionellen unteren Marktsegmenten aus in das mittlere und teilweise auch das Premium-Segment. Sie bleiben dabei extrem kostenbewusst.
Mit der wirtschaftlichen Systemlösung EDIS (Energy Demand-oriented Implement System) verringern Betreiber von Radladern beispielsweise ihren Kraftstoffverbrauch um bis zu zehn Prozent gegenüber Konzepten mit reiner Open-Center-Architektur. Die Systemkosten liegen deutlich niedriger als bei einem LUDV-System, wie es im High-End-Segment typischerweise zum Einsatz kommt.
Insbesondere für Radlader des mittleren Segments ab drei Tonnen geeignet, besteht die Lösung aus einer auf die jeweilige Radlader-Serie abgestimmten Kombination von Konstant- und Verstellpumpen sowie einem Prioritätsventil. Die Regelung kann sowohl rein hydraulisch als auch elektrisch erfolgen. Der bisherige Open-Center-Steuerblock für die Arbeitshydraulik kann weiter eingesetzt werden. Alternativ kann der Hersteller auch einen Load-Sensing-Steuerblock verwenden.
