Hydraulic Flywheel (HFW)

Gespeicherte Energiereserve:Das Hydraulic Flywheel (HFW) speichert temporär überschüssige oder frei werdende Energie der Maschine, um sie dem Verbrennungsmotor zu einem späteren Zeitpunkt gezielt wieder zur Verfügung zu stellen. Bild: Bosch Rexroth

Die gesamte Branche der Mobilhydraulik steht unter dem Druck, ihre Geräte auf der einen Seite produktiver und auf der anderen Seite effizienter zu machen“, beobachtet Prof. Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff, Direktor des Institutes für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS), Aachen. „Zusätzlich werden Synergien der Produktion 4.0 auch im Umfeld von mobilen Produktionsmaschinen erwartet.“ Hinsichtlich der Trends zur Effizienzverbesserung habe es sich gezeigt, dass sich prozentuale Steigerungen im zweistelligen Bereich jedoch nur mit enormem Aufwand erzielen lassen.

„Liegt ein System vor, bei dem über Pumpen der Volumenstrom vorgegeben wird, so kann im Prinzip eine Pumpe nur einen Zylinder oder Motor versorgen“, gibt der IFAS-Direktor zu bedenken. „Soll bei einem derartigen System Energie rekuperiert werden, so bedarf es einer zusätzlichen Energiewandlung mechanischer oder elektrischer Art.“ Energiespeicher könne dabei ein Hydrospeicher oder eine Batterie sein. Doch diese zusätzliche Wandlung sei verlustreich und müsse noch genauer untersucht werden.

Auf der anderen Seite gäbe es aber Systeme, bei denen der Druck vorgegeben wird – etwa in Kombination von druckgeregelten Pumpen mit Speichern. „Dies System erlaubt den Parallelbetrieb von beliebig vielen Verbrauchern“, stellt Prof. Murrenhoff fest. „Bei Rotationsmotoren geschieht die Anpassung an den Bedarf im Rahmen einer Sekundärregelung durch die Einstellung des Verdrängervolumens.“ Dabei ließe sich Energie ohne Wandlung beliebig über den Speicher rekuperieren.

Da es aber keine Zylinder mit kontinuierlich verstellbarer Wirkfläche gibt, arbeiten Forscher und Entwickler daran, wie sich Zylinder ohne oder mit sehr geringen Steuerungsverlusten aus einem Drucknetz betreiben lassen. „Dazu gibt es Lösungsansätze der Digitalhydraulik, Mehrdrucknetze oder schaltbarer Kolbenflächen“, berichtet der IFAS-Direktor. „Hier wird es interessant sein zu verfolgen, welche Systeme sich in Zukunft bewähren werden, um die uneingeschränkte Rekuperation auch für Zylinderantriebe möglich zu machen.“ Mit dieser Aufgabenstellung beschäftigen sich die Aachener im STEAM-Projekt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird.

Ansteuerung über CAN-Bus

Display IQAN-MD4

Ansichtssache: Über das Display IQAN-MD4 lassen sich bis zu 127 Netzwerkkameras in die Steuerung einbinden, ohne dabei die Sicht des Fahrers durch zusätzliche Bildschirme in der Kabine zu behindern. Bild: Parker Hannifin

Einen stärker werdenden Trend zur Elektrifizierung und Überwachung von Maschinen und Produktionsdaten erkennt Arno Heeren, Application Engineer im Parker Mobile Systems Center in Kaarst. Als Grund sieht er an, dass nun – nach dem weitestgehenden Abschluss der Umstellung auf Tier IV – immer weniger verfügbarer Bauraum für die Arbeitshydraulik in den Maschinen zur Verfügung stehe. Daher steige auch weiterhin die Nachfrage nach immer kompakteren Komponenten und Lösungen mit hohem Integrationsgrad.

Firmen wie Parker Hannifin reagierten auf die Entwicklung zu komplexeren Systemen mit maßgeschneiderten Lösungen – inklusive CAN-Bus-Netzwerken und benutzerfreundlichen Bedienkonzepten. Das Unternehmen hat beispielsweise die Loadsensing-Mobilventilbaureihen der L- und K-Serien um eine optionale Vorsteuereinheit mit einer integrierten Onboard-Elektronik (OBE) erweitert, die eine Ansteuerung über CAN-Bus ermöglicht.

„Die CAN-Bus-Anbindung reduziert drastisch die Komplexität der Verdrahtung und die damit einhergehende Ausfallrate“, erklärt Heeren. „Die vorkalibrierten Einheiten ermöglichen mit ihren integrierten Diagnosefunktionen eine schnelle Inbetriebnahme.“ Außerdem helfe die Überwachung der Schieberpositionen, die Anforderungen von Sicherheitssteuerungen zu erfüllen. Das Ventil entspricht einem Sicherheitsbauteil nach ISO 13849PL D. Die Einbindung des Ventils in die Steuerung geschieht per CAN-Protokoll SAE J1939.

Auf das gleiche Protokoll setzt auch ein neuartiges, absolutes Messsystem für Zylinder: Der Intellinder basiert auf einer Kolbenstangenmarkierung und einer optoelektronischen Leseeinheit. „Dieses Konzept bietet insbesondere bei der Anwendung in Zylindern mit beidseitiger Kolbenstange deutliche Vorteile, da der Bauraum durch die Messtechnik nicht vergrößert wird“, sagt der Application Engineer.

Prof. Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff

„Die gesamte Branche der Mobilhydraulik steht unter dem Druck, ihre Geräte zugleich produktiver und effizienter zu machen.“
Prof. Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff, Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen IFAS. Bild: IFAS

Zusätzlich ließe sich auch eine ein- oder mehrfach redundante und absolute Positionsüberwachung verwirklichen, die etwa bei sicherheitskritischen Anwendungen nötig sei, zum Beispiel in elektrohydraulischen Lenksystemen. Um Anwendern bei der Systemauslegung und Anwendung der Produkte zu helfen, hat Parker Hannifin bereits vor einigen Jahren am Stammsitz in Kaarst ein Mobile System Center (MSC) aufgebaut.

VBO-Technologie

Verbrauch reduzieren

Virtual bleed off (VBO)

Ökologisch und komfortabel: „Virtual bleed off“ (VBO) sorgt für eine verbesserte Kraftstoffeffizienz und mehr Komfort für den Fahrer. Bilder: Bosch Rexroth/Doosan

Die Virtual-Bleed-Off-Technologie (VBO) verbessert die Arbeitsweise eines hydraulischen Zwei-Kreis-Closed-Center-Systems mit Hilfe von Elektronik (Druck-Sensoren, Steuergerät) und elektronisch druckgeregelten Pumpen. Auf Basis von VBO entwickelte der koreanische Konzern Doosan Infracore aus Seoul mit dem Technologiepartner Bosch Rexroth die D-Ecopower-Technologie. Nach Angaben von Doosan zeichnet sich der 34-Tonnen-Bagger DX340LC-3 mit D-Ecopower, der 2013 vorgestellt wurde, durch mehr Komfort aus und verbraucht 12 Prozent weniger Kraftstoff als das vorherige Modell.

Aber auch Ergonomie und Komfort können für Sicherheit sorgen: Als Schnittstelle zum Maschinenführer gibt es neuerdings das Display IQAN-MD4 auch in zehn-Zoll-Ausführung, das mit seinen sechs Schnittstellen (unter anderem CANopen, J1939, Ethernet) viele Anschlussmöglichkeiten besitzt: So lassen sich rein theoretisch bis zu 127 Netzwerkkameras in die Steuerung einbinden, ohne dabei die Sicht des Fahrer durch zusätzliche Bildschirme in der Kabine zu behindern.

Energieeffiziente Lösungen gefragt

Die ökologischen Aspekte der Mobilhydraulik bringt Karlheinz Vogl, Leitung Vertrieb und Branchenmanagement Baumaschinen bei Bosch Rexroth aus Lohr, ins Spiel. So würden Emissionsvorgaben wie Stage IV in Europa oder Tier IV final in den USA die Nachfrage nach energieeffizienten Lösungen erhöhen. Dieselmotor, hydrostatischer Fahrantrieb und Arbeitshydraulik sollten hierfür im optimalen Betriebspunkt betrieben werden.

Karlheinz Vogl

„Die ‚Virtual Bleed Off-Technologie‘ (VBO) für Bagger vereint die Reduzierung des Treibstoffverbrauchs mit einem schnellen Ansprechverhalten bei hoher dynamischer Systemstabilität.“ Karlheinz Vogl, Bosch Rexroth. Bild: Bosch Rexroth

Eine besondere Bedeutung besitze auch die Abgasnachbehandlung. „Doch auch die energieeffiziente Hydraulik der Zukunft muss auf Leistungsdichte und einen hohen Bedienkomfort setzen“, berichtet Vogl. „Auch die Anforderungen an Steuerbarkeit und Vernetzung sind gestiegen. Wir beobachten eine zunehmende Elektronifizierung der Hydraulik.“ Bosch Rexroth erweitere daher ständig sein Regler- und Verstellprogramm.

Alles in allem seien im Umfeld der Mobilhydraulik ganzheitliche Lösungen mit mehr System-Know-how gefragt in Bezug auf das Zusammenspiel der Komponenten. Bei der ganzheitlichen Systembetrachtung könnten außerdem Condition Monitoring Systeme helfen. Bedingt durch die allgemeinen Markttrends ergeben sich neben dem allgemeinen Preisdruck für die Hydraulik weitere Herausforderungen, wie etwa die Verringerung des Bauraumes oder die begrenzte Dieselleistung.

Doch wie reagiert ein Konzern wie Bosch-Rexroth auf diese Entwicklungen? „Unsere Lösungen zielen auf eine Steigerung der Energieeffizienz, ohne dabei Leistung und Komfort aus den Augen zu verlieren“, sagt Vertriebsleiter Vogl. „So vereint beispielsweise die „Virtual-Bleed-Off-Technologie“ (VBO) für Bagger die Reduzierung des Treibstoffverbrauchs mit einem schnellen Ansprechverhalten bei hoher dynamischer Systemstabilität.“

Umweltschonend sind auch moderne Hydrauliksysteme, die eingesetzte Energie effektiv nutzen. Ein Beispiel dafür ist das Hydraulic Flywheel (HFW), das Energie kurzfristig aufnimmt und sie dem Gerät zu einem späteren Zeitpunkt dann wieder gezielt zur Verfügung stellt: Beispielsweise für einen Boost-Effekt, zur Unterstützung des Dieselmotors bei Leistungsspitzen oder für eine Start-Stopp-Funktion. HFW erzeuge gezielt ein Zusatzmoment, wenn Spitzenleistung nötigt ist. Im Umkehrschluss kann das System zusätzlich zum Dieselmotor ein Stützmoment erzeugen – etwa als Unterstützung beim hydrostatischen Bremsen.

Technik im Detail

Rekuperation für Zylinderantriebe

Bagger

Speicher sorgen in einem schweren Bagger dafür, dass sich kinematische und potentielle Energie ohne zusätzliche Energiewandlung abdecken und rekuperieren lässt. Bild: IFAS

Im Projekt STEAM betreibt das IFAS einen schweren Bagger mit einer Masse von 18 t, der mit einer durchgehend druckeingeprägten Mobilhydraulik mit zwei Drucknetzen ausgestattet ist. Speicher sorgen dafür, dass sich kinematische und potentielle Energie ohne zusätzliche Energiewandlung abdecken und rekuperieren lassen. Zusätzlich haben die Aachener Forscher Hydraulik und Verbrenner ganzheitlich optimiert, damit der Dieselmotor immer im optimalen Betriebsbereich arbeitet. Der Dieselmotor liefert über den Zyklus nur die Durchschnittsleistung und kann bei geladenen Speichern in den Off-Betrieb gehen – ähnlich wie es bei Pkw auch schon Stand der Technik ist. Die validierten Messergebnisse und die möglichen Energieeinsparungen will das IFAS noch in diesem Jahr präsentieren.

Video zu VIP-Projekt-STEAM: http://www.bmbf.de/de/2391.php

Arno Heeren

„Die CAN-Bus-Anbindung reduziert drastisch die Komplexität der Verdrahtung und die damit
einhergehende Ausfallrate.“ Arno Heeren,
Parker Mobile Systems Center. Bild: Parker Hannifin

Das HFW weist aber noch auf einen anderen wichtigen Aspekt hin: Das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten in der Mobilhydraulik, das immer mehr Systemwissen erfordere. Vogl: „Hersteller und Anwender profitieren hier von unserer Branchen- und Anwendungserfahrung in Verbindung mit dem Know-how von Bosch, beispielsweise beim Dieselmotormanagement, der Abgasnachbehandlung oder der Fahrzeugelektronik. Grundlagenentwicklung und die Zusammenarbeit mit Forschungsinstituten und Hochschulen – zum Beispiel mit der Universität Tampere – erweitern unser Erfahrungs- und Wissensspektrum.“ fa

Autor: Nikolaus Fecht, freier Autor für fluid

 

Stiftungsprofessur eingerichtet

Lehrstuhl an TU Dresden drohte die Schließung

Eine der wichtigsten Forschungs- und Lehrinstitutionen für Baumaschinen in Deutschland wird fortgeführt – dank des Engagements der deutschen Bau- und Baustoffmaschinenindustrie, die eine Stiftungsprofessur für die Technische Universität Dresden finanzieren wird. „Diese wichtige Professur drohte ersatzlos zu entfallen“, sagte Prof. Sebastian Bauer, Vorstandsvorsitzender der VDMA stiftenden Forschungsvereinigung Bau- und Baustoffmaschinen (FVB). Die Universität hatte die Professur für Baumaschinen- und Fördertechnik nach dem altersbedingten Ausscheiden von Prof. em. Günter Kunze am 1. April 2015 nicht wieder besetzt. Grund waren Einsparmaßnahmen im Haushalt des Freistaates Sachsen.

Der Lehrstuhl gehört mit einem Drittmittelaufkommen von 1,5 Millionen Euro jährlich und 30 Mitarbeitern – gemessen an seinen Leistungskennzahlen – zu den erfolgreichsten der Maschinenbaufakultät. „Unsere massiven Interventionen bis hin zum zuständigen sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst waren fruchtlos“, erklärte Professor Bauer. Mit der durch den VDMA und die FVB finanzierten Stiftungsprofessur ist nun eine Lösung gefunden. Neben der Finanzierung der Professorenstelle beteiligen sich die Stifter auch an der Errichtung einer neuen Maschinenhalle. Die TU Dresden stellt die erforderliche Infrastruktur sowie Personal und Ausstattung. Nach dem Auslaufen der Stiftungsfinanzierung ist eine Weiterführung als außerplanmäßige Professur geplant, um Forschung und Lehre auch dauerhaft sicherzustellen. do