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Fast nur die Hülle bleibt: Dieselmotor, Fahrantrieb und Arbeitshydraulik des Liebherr-Bestsellers L576 werden im Rahmen des TEAM-Projekts ausgetauscht, um die Effizienz deutlich zu steigern. Bild: Liebherr

Wenn mobile Arbeitsmaschinen sparsamer werden sollen, dann ist eigentlich immer damit auch die Hydraulik gefordert. Und so ist sie auch wichtiger Bestandteil des Verbundforschungsvorhabens TEAM (Technologien für energiesparende Antriebe mobiler Arbeitsmaschinen). Es vereint 19 Maschinenhersteller und Zulieferfirmen, fünf Hochschulinstitute und den VDMA. Gerade war Halbzeit des von Februar 2012 bis Januar 2015 befristeten Vorhabens, für das Mittel in Höhe von 8,5 Mio. Euro zur Verfügung stehen. 4,3 Mio. Euro steuert das Bundesforschungsministerium BMBF bei.

Sebastian Dziallach

„Gelingt es, die anvisierten 30 Prozent einzusparen, entspricht das knapp 1,35 Millionen Tonnen Dieselkraftstoff.“
Dr.-Ing. Sebastian Dziallach, BMBF

Dort hat man guten Grund, Millionen von Forschungsgeldern zu investieren. Die 400.000 allein in Deutschland eingesetzten Arbeitsmaschinen verbrauchen fast 16 Prozent des gesamten Dieselkraftstoffes. Dr.-Ing. Sebastian Dziallach vom Referat Forschung für Produktion, Dienstleistung und Arbeit: „Die in der Automobilbranche schon lange betriebene Steigerung der Energieeffizienz ist deshalb im Bereich mobiler Arbeitsmaschinen nicht minder wichtig.“ Anvisiert werden 30 Prozent weniger Verbrauch, „das entspricht knapp 1,35 Millionen Tonnen Dieselkraftstoff“.

Die wesentlichen Innovationstreiber auf gesetzlicher Ebene seien Joachim Schmid, Geschäftsführer des Fachverbandes Bau- und Baustoffmaschinen beim VDMA, zufolge die Senkung von Geräusch, Vibrationen und Abgas. Der Markt hingegen verlange nach Leistungssteigerung, geringerem Verbrauch, besserer Ergonomie und Funktionalität.

Die Hersteller stünden zudem vor einem weiteren Dilemma: „Die notwendige Technik, um die immer strengeren Abgasvorschriften der EU und der USA zu erfüllen, können sie in den gering regulierten Märken mit den höchsten Wachstumsraten nicht verkaufen, weil sie dort zu teuer und zu komplex ist oder der notwendige Kraftstoff für diese Maschinen oft schlicht nicht verfügbar ist.“

Verschärfte Abgasregulierungen wie die ‚European off-highway Stage IV‘ und das amerikanische Pendant ‚U.S. off-highway TIER 4 final‘ werden derzeit, abgestuft nach Leistungsklassen, nach und nach umgesetzt. Bis zum Jahr 2020 hat die Branche hingegen noch Zeit, dann tritt die Forderung der Europäischen Union nach 20 Prozent Effizienzverbesserung und CO2-Einsparung in Kraft, zu der auch mobile Arbeitsmaschinen ihren Beitrag leisten müssen. Es ist also an der Zeit, sich der Thematik grundsätzlich und auf wissenschaftlicher Basis anzunehmen.

„Aktuelle Entwicklungstrends bei den hydrostatischen Getrieben sind höhere Grenzdrehzahlen bei gleichzeitigem niedrigerem Geräuschniveau und einer effizienteren Energieumformung“, nennt Professor Dr.-Ing. Jürgen Weber, Leiter des Instituts für Fluidtechnik (IFD) der TU Dresden und Gesamtleiter des Verbundvorhabens, ein Beispiel, wo die Hydraulik einen Beitrag zur Effizienzverbesserung leisten könne.

Erreicht werden könne dies beispielsweise durch neuartige Verdrängereinheiten, um möglichst große Verstellbereiche zu realisieren. Bei den hydrodynamischen Getrieben stelle die Hybridisierung in Verbindung mit elektrischen Einheiten einen Schwerpunkt dar. Aber auch der Einsatz von Wandlerüberbrückungskupplungen, um die Effizienz bei hohen Drehzahlen zu steigern, werde verfolgt.

Einen zentralen Schwerpunkt der letzten Jahre, insbesondere im Traktorbereich, bildeten die leistungsverzweigten Getriebe, die zunehmend auch in mobilen Baumaschinen Einzug hielten. Prof. Weber: „Damit lassen sich 20 bis 30 Prozent Kraftstoff einsparen.“ Deutliche Verbesserungen ließen sich zudem durch eine elektronische Steuerung der Arbeitsausrüstung erzielen: „Wir können dadurch die Steuerungscharakteristik flexibilisieren, das dynamische Verhalten der Maschine besser beeinflussen und Überwachungs- und Diagnosefunktionen bis hin zu Assistenzsystemen und Teilautomatisierung realisieren.“

Diesel auf Hybrid getrimmt

Andreas Ziegler

„Die Komplexität bezüglich Arbeitsergebnis, Verfahren und Maschine ist bei mobilen Arbeitsmaschinen extrem hoch.“
Dr.-Ing. Andreas Ziegler, Bauer Maschinen

Doch wie lässt sich das alles letztlich bewerten? Einen Weg verfolgt Dr.-Ing. Andreas Ziegler, bei der Bauer Maschinen GmbH zuständig für die Entwicklung der Hydraulik und Antriebstechnik. Er entwickelt Methoden und Werkzeuge zur Ermittlung der Energieeffizienz. Was bei Kühlschränken oder auch Autos noch mit vertretbarem Aufwand gelingt, nämlich einen Referenzzyklus zu definieren, sei bei Baumaschinen bislang immer in jahrelangen Diskussionen versandet.

Wie komplex das Problem ist, zeigt das Beispiel ‚Gründungspfahl‘, wie er für das Errichten von Hochhäusern gebraucht wird. Verschiedene Verfahren und Maschinen werden eingesetzt, auch die Böden können stark unterschiedlich sein. „Die Komplexität bezüglich Arbeitsergebnis, Verfahren und Maschine ist bei mobilen Arbeitsmaschinen extrem hoch“, so Zieglers Fazit. Bei Bauer Maschinen nahm man das Bohren für einen Gründungspfahl deshalb genau unter die Lupe.

„Wir haben insgesamt sechs Versuche durchgeführt und dabei das Gerät mit mehr als 70 Messstellen im Antrieb ausgestattet, um detailliert zu sehen, wo die Energie hinfließt.“ Um Vergleichswerte zu bekommen, habe man zwei verschiedene Verfahren und jeweils zwei unterschiedlich große Bohrungen in zwei verschiedene Bodenarten untersucht. „Wir wollen mit den gewonnenen Daten die Energieflüsse aufzeigen. Auf dieser Basis werden wir das Bohrgerät optimieren und erneut Messungen durchführen, um einen Bewertungsmaßstab für Energieeffizienz zu bekommen.“

Herbert Pfab

„Wir tauschen alle Hauptkomponenten im Leistungsfluss aus: Dieselmotor, Fahrantrieb und Arbeitshydraulik – sie bewirken etwa 90 Prozent der Verlustleistung am Fahrzeug.“
Dr.-Ing. Herbert Pfab, Liebherr

Was genau passiert eigentlich, wenn sich ein Radlader in einen Erdhaufen schiebt, um Erde aufzunehmen? Wohin verteilen sich die Ströme der eingesetzten Energie und wie lässt sich das virtuell durch Simulation im Voraus berechnen? Diesen Fragen geht Tina Grüning, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Verarbeitungsmaschinen und Mobile Arbeitsmaschinen (IVMA) der TU Dresden derzeit nach. Ihre Arbeitsgruppe entwickelte Modelle für die beiden Referenzmaschinen Hydraulikbagger und Radlader.

Grüning erklärt: „Innerhalb der Modelle wird die Mechanik als 3D-Mehrkörpersystem (MKS) berechnet. Das Maschinenverhalten berechnen wir durch die Modellierung der Arbeitshydraulik sowie der Antriebstechnik im Zusammenwirken mit dem MKS.“ Durch Abgleich der Parameter des Gesamtmodells mit den realen Referenzmaschinen entspreche das Ergebnis der Maschinensimulation dem tatsächlich gemessenen Maschinenverhalten.

Aber wie simuliert man eigentlich einen Erd- oder Steinhaufen? Grüning nutzt hierfür die Diskrete Elemente Methode (DEM), ein numerisches Berechnungsverfahren für granulare Materialien. Daraus entwickelte sie ein Modell, um das Verhalten des Erdstoffes abzubilden. „Dieses Modell wird derzeit auf einen gewählten Referenzerdstoff kalibriert. Dabei verwenden wir Versuchseinrichtungen, die im Rahmen des Projektes konstruiert und gefertigt worden sind.“

Außerdem brachte das Team über eine Simulationskopplung mithilfe des Schnittstellenstandards Functional Mock-up Interface (FMI) das Maschinenmodell und die Erdstoffsimulation zusammen. „Wir können jetzt die Wechselwirkung zwischen dem Anbauwerkzeug der Maschine und dem Erdstoff berechnen und den maschinellen Arbeitsprozess simulieren.“ Damit sei es möglich, die Belastungen der Maschine zu ermitteln und so den Anteil des Energiebedarfs für den Arbeitsprozess zu analysieren.

Das in den Teilprojekten gewonnene Wissen kulminiert im ‚Grünen Radlader‘. Er basiert auf einem Liebherr L576. Dr.-Ing. Herbert Pfab, Entwicklungsleiter Radlader, hält diese Maschine für besonders geeignet: „Sie repräsentiert die weitverbreitete Klasse von Radladern mit 4 bis 4,5 m³ Schaufelinhalt, die Einsatzbedingungen dieser Klasse sind sehr vielfältig.“

Außerdem würden solche Maschinen durchschnittlich 2000 Betriebsstunden im Jahr gefahren, sodass sich effizienzsteigernde Maßnahmen schon nach kurzer Zeit rentierten. Viel vom Innenleben des Bestsellers bleibt nicht übrig, denn „wir tauschen alle Hauptkomponenten im Leistungsfluss aus: Dieselmotor, Fahrantrieb und Arbeitshydraulik – sie bewirken etwa 90 Prozent der Verlustleistung am Fahrzeug“. Hinzu komme ein hydraulisches Hybridsystem, um das Rekuperationspotenzial zu bewerten. Nur der Stahlbau mit den Hauptrahmenteilen und dem Hubgerüst, die Achsen und die Kabine blieben fast vollständig erhalten.

Mittlerweile seien die Anpassungskonstruktionen der Basismaschine weitgehend abgeschlossen, wie Dr. Hilmar Jähne, Oberingenieur am IFD und Gesamtkoordinator des Verbundprojektes, erklärt. Derzeit würden die entsprechenden Beschaffungen und Anpassungen durchgeführt. Zur Beurteilung des energetischen Verhaltens seien umfangreiche Simulationen durchgeführt worden, „die gegenüber der hydrostatischen Referenzmaschinen Kraftstoffeinsparungen von etwa einem Fünftel und gegenüber hydrodynamischen Maschinen sogar von etwa 30 % erwarten ließen, wobei die geringere Kühlleistung noch gar nicht betrachtet worden ist“. Im ersten Quartal des kommenden Jahres solle die Maschine montiert und danach in Betrieb genommen werden.

Tina Grüning

„Wir können jetzt die Wechselwirkung zwischen dem Anbauwerkzeug der Maschine und dem Erdstoff berechnen und den maschinellen Arbeitsprozess simulieren.“
Tina Grüning, TU Dresden

Hydraulik hilft auch dem dieselmotorischen Antrieb des Grünen Radladers auf die (Effizienz-)Sprünge. Er wird durch einen Hybridantrieb optimiert. Dr.-Ing. Martin Nijs, Projektingenieur am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) der RWTH Aachen und TEAM-Projektleiter: „Dank des hydrostatischen Hybridmoduls kann der Dieselmotor einen deutlich kleineren Betriebsbereich mit geringerer Maximaldrehzahl realisieren, wodurch bei der Auslegung weniger Kompromisse nötig sind.“ Dazu habe man vor allem die Turboladergröße und -geometrie sowie die Kraftstoffeinspritzung auf ihr Einsparpotenzial bewertet und Simulations-Berechnungen zum Betriebsverhalten mit unterschiedlichen Turbolader-Varianten durchgeführt.

„Aktuell finden letzte Prüfstandsuntersuchungen zur Bewertung des statischen stationären und dynamischen Verhaltens, dem Kraftstoffverbrauch und damit verbundenen CO2-Emissionen sowie der Schadstoffemissionen statt“, berichtet Nijs. Erste Ergebnisse zeigten, dass der Zugewinn an Effizienz vor allem durch das Verschieben der Betriebspunkte hin zu niedrigen Drehzahlen erreicht werde.

In diesem Bereich verfüge der Motor jetzt über eine deutlich höhere Dynamik. Die stattdessen fehlende Dynamik im höheren Drehzahlbereich werde wettgemacht durch ein hydraulisches Hybridmodul. Es unterstützt bei Lastaufschaltung den Dieselmotor und ermöglicht so den effizienteren Betrieb des Dieselmotors bei niedrigen Drehzahlen. Ob dieses Konzept letztlich auch der Realität standhält, werde sich in der Felderprobung mit dem Demonstrator zeigen, die im dritten Quartal 2014 starten soll.

Autor: Michael Pyper, freier Journalist