Bereit für den Praxistest: Die Versuchsmaschine ist mit Sensorik ausgestattet. In die transparente Rücklaufleitung ist aktuelle Messtechnik eingebaut. (Bild: Hydac)
Die Richtlinie 97/68/EG widmet sich der Emission von gasförmigen Schadstoffen und luftverunreinigenden Partikeln aus Verbrennungsmotoren für mobile Maschinen und Geräte (mit den Änderungen durch die Richtlinien 01/63/EG, 02/88/EG und04/26/EG). Sie hat direkten Einfluss auf die Gestaltung zukünftiger Motorkonzepte. Diese Richtlinien machen Systeme zur Abgasnachbehandlung erforderlich. Denn die Systeme benötigen Platz in der Maschine. Insgesamt steigen deshalb die Kosten, da Zusatzkomponenten notwendig sind, um die strengen Grenzwerte zu erreichen. Hinzu kommen erhöhte Anforderungen an die Energieeffizienz.
Verschiedene Lastzyklen (links) und deren Einfluss auf die Filterleistung (rechts). Bild: Hydac
Durch diese neuen Erfordernisse ändert sich das gesamte Hydrauliksystem in einer mobilen Maschine: Aufgrund des verringerten Bauraums wird den künftigen Hydrauliksystemen eine hohe Leistungsdichte abverlangt. Vor diesem Hintergrund ergeben sich auch Herausforderungen an die Filter- und Tank-Systeme mobiler Arbeitsmaschinen.
Um eine hohe Leistungsdichte zu erreichen, setzen Konstrukteure oft spezielle Formen von Hydraulikfiltern ein, beispielsweise kombinierte Rücklauf-Saugfilter. Zudem treten die Filtrationseffizienz und Schmutzaufnahmevermögen unter erschwerten Einsatz- und Arbeitsbedingungen stärker in den Vordergrund. Der dauerhafte Schutz sensibler Hydraulikkomponenten sowie lange Standzeiten reduzieren Stillstands- und Wartungszeiten und senken demzufolge die Betriebskosten.
Der Hydrauliköltank inklusive aller peripheren Anbauten muss platzsparend in das gesamte Maschinenkonzept integriert werden. Als Lösung setzen Unternehmen häufig hochintegrale Filter-Kühler-Tank-Systeme ein. Die bessere Ausnutzung des Bauraums bringt komplexe Tankgeometrien mit sich. Durch diese auf den Bauraum ausgelegte Formgebung der Tanks steigt die Gefahr, dass sich Luft im Hydrauliköl anreichert und deshalb Probleme auftreten. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an heutige Mobilfilterkonzepte.
Folglich müssen zusätzliche Prüfverfahren eingesetzt werden, um Filterkonzepte anwendungsgerecht auszulegen. Zwei dieser anwendungsspezifischen Prüfverfahren, die Hydac entwickelt hat, werden im Folgenden vorgestellt: der Hydraulic Load Cycle Test und der Air Release Test.
Hydraulic Load Cycle Test (HLCT)
Exemplarische Ergebnisse einer Mehrphasenströmungssimulation in Anlehnung an eine am ART-Prüfstand durchgeführten Tankuntersuchung. Bild: Hydac
Der Hydraulic Load Cycle Test (Hydac-HLCT) ist ein anwendungsspezifisches Prüfverfahren zur Ermittlung der Filterleistung unter realen Einsatzbedingungen. Der Test basiert auf einer Erweiterung der Prüfprozedur nach ISO 16889:2008 „Fluidtechnik – Filter – Prüfverfahren mit Mehrfachdurchgang zur Bestimmung der Filterleistung eines Filterelementes“. Die an einem Hydraulikölfilter resultierenden Volumenströme setzen sich zusammen aus den Einzelvolumenströmen der Pumpen sowie den Rücklaufmengen der Zylinder und können je nach Einsatzbedingung der Maschine in ihrem zeitlichen Verlauf stark schwanken. Die Norm schreibt einen konstanten Testvolumenstrom vor. Im Gegensatz dazu liegen dem HLCT hydraulische Lastzyklen zugrunde, die den in der Anwendung vorliegenden Volumenströmen entsprechen.
Zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit von Filterelementen unter dynamischen Bedingungen und vor dem Hintergrund der Vergleichbarkeit liegen dem HLCT zunächst fünf hydraulische Lastzyklen zugrunde. Diese unterscheiden sich im zeitlichen Verlauf der hydraulischen Last. Exemplarische Ergebnisse des HLCT zeigen den Einfluss verschiedener Lastzyklen im Hinblick auf die Filterleistung. Es ist zu erkennen, dass die Filterleistung unter dynamischen Prüfbedingungen insgesamt leicht abfällt. Weiterhin wird deutlich, dass die Filterleistung maßgeblich von der Charakteristik der Volumenstromflanken bestimmt wird.
Air Release Test (ART)
Vordergründig haben Hydrauliktanks neben der Speicherung und Bereitstellung des Öls für das Hydrauliksystem die Aufgabe, das Öl zu beruhigen. Die in ihm enthaltene freie Luft sollte dabei ausgetragen werden. Somit wird der Schädigung von Öl und Systemkomponenten, aber auch einem schlechten Regelverhalten des Systems vorgebeugt. Die Gestaltung des Tanks hinsichtlich äußerer und innerer Geometrie, die Position der Saug- sowie Rücklaufanschlüsse und im Speziellen die strömungsmechanischen Eigenschaften der Filter haben maßgeblichen Einfluss auf das Luftabscheideverhalten. Die Auslegung der Hydrauliktanks basiert in der Regel auf Erfahrungswerten. Aufgrund der Komplexität von Tanksystemen und dem Fehlen von geeigneten Entwicklungswerkzeugen versuchten die Hersteller bei Neuentwicklungen von Maschinen in der Vergangenheit meist, das vorherige Hydraulikkonzept in ähnlicher Form beizubehalten.
Vor dem Hintergrund der mit der Emissionsrichtlinie einhergehenden Bauraum-Problematik ist dies bei aktuellen Entwicklungen oftmals nur bedingt möglich. Die Anwender benötigen neue Tankformen. Um der Forderung nach optimaler Einbindung der Hydraulikfilter in Tanksystemen gerecht zu werden, entwickelte Hydac den Air Release Test. Diese Prüfeinrichtung ermöglicht es, das Luftabscheideverhalten hydraulischer Tanksysteme zu ermitteln.
Der Prüfaufbau, in den der zu untersuchende Tank eingebunden wird, besteht aus einem offenen Hydraulikkreislauf mit integrierter Temperatur- und Volumenstromregelung. Auf der Saugseite der Umwälzpumpe kann dem System eine definierte Menge an Luft in Form von fein verteilten Luftblasen zugegeben werden. Der integrierte Trübungssensor bestimmt die Anreicherung von Luft im Testkreis. Zu Beginn der Untersuchung ist das Hydrauliköl luftblasenfrei. Über einen Zeitraum, der an das Volumen des zu prüfenden Tanks angepasst ist, wird dem Öl in definiertem Maße Luft zugegeben. Es stellt sich eine Trübung des Öls ein. Nach dem Ende der Luftzufuhr wird der Verlauf der Trübung gemessen. Anhand dieser Daten wird das Luftabscheideverhalten des Tanks beurteilt.
Simulation ergänzt Messungen
Hydraulischer Lastzyklus eines Kettenbaggers: Zu sehen sind schematisch einige Arbeitsbewegungen. Aus dem zeitlichen Verlauf dieser aus der Arbeitsbewegung resultierenden hydraulischen Last, definiert als flächenspezifischer Volumenstrom am Filterelement, können entsprechende hydraulische Lastzyklen für den HLCT abgeleitet werden. Bild: Hydac
Weiterführend zu den experimentellen Untersuchungen am ART-Prüfstand kann das Luftabscheideverhalten ebenfalls über eine Simulation ermittelt werden, genauer gesagt mittels transienter Mehrphasenblasenströmungssimulation. Mit diesem Werkzeug wird die Strömung des Öls sowie die Strömung der Luftblasen berechnet, wobei alle auf die Luftblasen resultierenden, relevanten Kräfte berücksichtigt werden. Die Zugabe einer definierten Menge Luft am Einlass des Tanks erfolgt in Form von monodispers verteilten Luftblasen mit definierter Blasengröße.
Der Vorgang der Luftanreicherung im System wird berücksichtigt, indem spezielle Randbedingungen verwendet werden. Innerhalb der ersten 60 Sekunden simuliert das Programm, wie das System mit Luft angereichert wird. Im Anschluss kann das Luftabscheideverhalten analog der Messung im Umwälzbetrieb des Tanks untersucht werden. Um die Leistungsfähigkeit des Filter-/Tank-Konzeptes abschließend zu beurteilen, sind Feldversuche erforderlich. Hierzu wird die Versuchsmaschine mit geeigneter Sensorik ausgerüstet.
Verfügbaren Bauraum voll ausnutzen
Exemplarische Gegenüberstellung der Ergebnisse zweier Tanks im ART. Bild: Hydac
Abschließend lässt sich sagen, dass die Abgasemissionsrichtlinie also nicht nur das Motor- beziehungsweise Abgasnachbehandlungskonzept beeinflusst, sondern auch das Filter-/Tank-Konzept. Denn um die Richtlinie einzuhalten, sind zusätzliche Komponenten erforderlich, die Bauraum in Anspruch nehmen. Die Untersuchung von Hydraulikfiltern durch den HLCT erfüllt die gestiegene Anforderung bezüglich hoher Filterleistungsdichte unter anwendungsspezifischen Bedingungen.
Der Forderung nach einem Werkzeug zur Auslegung und Verbesserung von Hydrauliktanks hinsichtlich ihres Luftabscheideverhaltens wird mit dem ART Rechnung getragen. Dieses Werkzeug unterstützt beim Auslegungsprozess von Hydrauliktanks.
Insbesondere im frühen Entwicklungsstadium stützt die Mehrphasenblasenströmungssimulation die experimentellen Untersuchungen. Die Gestaltung der Filter und des Tanks werden bereits in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses neuer Mobilmaschinen festgelegt. Daher sollten die aufgezeigten Verfahren ebenfalls zu diesem Zeitpunkt eingebunden werden. do
Autor: Hydac Filtertechnik
