BioMobil Einfluss von Bio-Hydrauliköl auf die Effizienz einer mobilen Arbeitsmaschine - FNR

BioMobil
Einfluss von Bio-Hydrauliköl auf die Effizienz einer mobilen Arbeitsmaschine

Effizienzsteigerung mobiler Maschinen

 Systemaufbau Intelligente Steuerung
  Verdrängersteuerung  Elektronische Regelung
  Load-Sensing  Zusatzfunktionen
  Energiespeicher  Aufgelöste Steuerkanten
  Mehrere Druckniveaus STEAM-System  Betriebspunktverschiebung www.Duden.de

  Rekuperation von Energie /Vuk17/

  Elektrifizierung/Hybridisierung
 Pumpen
 η=73,1% Nutzarbeit
 Kraftstoffenergie

 7,4%
 100%

 16,7%
 8,7%
 Verbrennungskraftmaschine
 η=32,4% 67,6% Steuerungssystem
 η=31,1%
 /Stu15/

2 Bioschmierstoff-Tagung
 Sebastian Deuster
 09.02.2021

Effizienzoptimierung durch Anpassung der Fluidviskosität

 Verlustarten
  Hydraulisch-mechanisch 1 2
  z.B. Rohrreibung: ∆ ℎ 
  Sinken mit abnehmender Viskosität
 1 2
  Volumetrisch
  z.B. Spaltströmung: ∆ 

 Kinematische Viskosität
  Steigen mit abnehmender Viskosität

 Angepasstes Fluid
  Mindestviskosität erforderlich
  Höherer Viskositätsindex
  Geringere Viskosität unterhalb Bezugstemperatur
  Höhere Viskosität oberhalb der Bezugstemperatur
  Biohydrauliköl Temperatur TBezug

3 Bioschmierstoff-Tagung
 Sebastian Deuster
 09.02.2021

Projektaufbau

 Übergeordnete Ziele Projektpartner
  Einfluss von Biohydrauliköl auf den  Panolin AG
 Kraftstoffverbrauch einer mobilen Arbeitsmaschine  Bereitstellung des Biohydrauliköls
  Bilanzanalyse der Verlustleistungen bei der  Unterstützung Entwicklung und Auslegung eines
 Verwendung unterschiedlicher Öle Biohydrauliköls
  Ölanalytik
  Ermittlung von thermohydraulisch relevanten
 Systempunkten

 AP 1 AP 2 AP 3 AP 4 AP 5
 Messtechnische Referenzzyklus Entwicklung Umölen des Vergleichszyklus
 Ausstattung Mineralöl Biohydrauliköl Versuchsbaggers Biohydrauliköl

4 Bioschmierstoff-Tagung
 Sebastian Deuster
 09.02.2021

Agenda

 1 Einleitung und Motivation

 2 Messtechnische Ausstattung des Versuchsbaggers

 3 Bestimmung der optimalen Fluidparameter

 4 Zusammenfassung und Ausblick

5 Bioschmierstoff-Tagung
 Sebastian Deuster
 09.02.2021

Versuchsbagger

 Hydrauliksystem Ausleger Stiel Schaufel
  Hydraulisch-mechanisches Ein-Kreis-Load-Sensing-System
  Hauptpumpe versorgt Hydraulikaktoren
  Erfassung des höchsten Lastdrucks im System, Rückmeldung an
 verstellbare Hauptpumpe

 MCV

Hauptpumpe MCV

 Drehwerk

 VKM
Hydrauliköltank
 Tank
 Drehwerk
 Hydraulikzylinder Quelle: Liebherr

6 Bioschmierstoff-Tagung
 Sebastian Deuster
 09.02.2021

Verlustleistung hydraulischer Systeme mobiler Arbeitsmaschinen

 Pumpen und Motoren PP
 1  Volumetrische Verluste
  Hydraulisch-mechanische Verluste

 Ventile Pv
 Verlustleistung
 PV 2  Blendenverluste
  Drosselverluste

 Strömungswiderstände PR
  Reibung
 3  Umlenkung
  Querschnittsveränderungen

7 Bioschmierstoff-Tagung
 Sebastian Deuster
 09.02.2021

Pumpe und Verbraucher PP
 Peff
 Hauptpumpe
  Ausgangsleistung Peff Tleck
  Temperatur/Viskosität des Öls
  Tleck minimale Schmierfilmdicke in tribologischen Tank
 VKM
 Kontakten der Pumpe
 Zulauf

 Zylinder A
 Zylinder
  Zylinderhub und Geschwindigkeit x

  Druck Kolben-/Stangenseite
  Temperatur/Viskosität des Öls
 B

 Hydraulikmotor Drehwerk Mot A1
 MCV

  Drehzahl über Winkelgeschwindigkeit ω Drehwerk
  Abtriebsleistung
  Temperatur/Viskosität des Öls (A1/A2) i=1:95 Mot A2
 VKM

 Tank Hauptpumpe

8 Bioschmierstoff-Tagung
 Sebastian Deuster
 09.02.2021

Ventile und Druckwaagen PV

 Proportionalventile
  Versorgung der entsprechenden Aktuatoren
  Druckverlust über Steuerkanten
  Druckdifferenz zwischen Hauptpumpe und
 Leitung zu Aktoren
  Verlustleistung in Wärme

 Druckwaagen
  Reglung Verbraucherdruck
  Umsetzung in systembedingte Verlustleistung

 MCV

 MCV VKM
 Tank

9 Bioschmierstoff-Tagung
 Sebastian Deuster
 09.02.2021

Strömungswiderstände PR
 840 mm
 Rohrreibung
  Lange Leitungsführung
  Rohr-/ Schlauchwand
  Druckdifferenz zwischen MCV und Aktuatoren
  Reibung führt zu Fluiderwärmung

 Umlenkungen
  Krümmung von Schläuchen
 Strömungsablösung (Totwassergebiet)
  Geschweißte Bögen an Zylinder A
  Totwassergebiete d
  Sekundärströmungen
 MCV
 r
 Drehwerk
 Querschnittsveränderungen Strömungsprofil
 vp
 (turbulent)
  Einlass in den Zylinder VKM
 Strömungslinie Tank Hauptpumpe

10 Bioschmierstoff-Tagung
 Sebastian Deuster
 09.02.2021

Messstellen-Sensorik

 Ausleger Stiel Schaufel
 Druck
 Temperatur
  Verbraucher
  Main Control Valve  Verbraucher
  Hauptpumpe  Main Control Valve
  Hauptpumpe
  Drosselstellen
  Tank
 15 Messstellen  Umgebung

 MCV
 Volumenstrom
 Drehwerk
  Verbraucher 18 Messstellen
  Hauptpumpe
  Kraftstoff

 VKM

 Tank Hauptpumpe
 7 Messstellen

11 Bioschmierstoff-Tagung
 Sebastian Deuster
 09.02.2021

Umsetzung Messequipment
Thermoelement Zylinder
 Drucksensor Wegaufnehmer

 MCV

 Vorlauf Rücklauf

 Drucksensor

 Thermoelement Volumenstrom Leckage
 Drehwerk
 Drucksensor

 Thermoelement

12 Bioschmierstoff-Tagung
 Sebastian Deuster
 09.02.2021

Agenda

 1 Einleitung und Motivation

 2 Messtechnische Ausstattung des Versuchsbaggers

 3 Bestimmung der optimalen Fluidparameter

 4 Zusammenfassung und Ausblick

13 Bioschmierstoff-Tagung
 Sebastian Deuster
 09.02.2021

Referenzzyklus

 90°Dig and Dump Zyklus
  Kies wird um 90 °umgesetzt
  Versuchshalle ifas
  Warmgefahrener Zustand
  Konstante Umgebungstemperatur
  Einheitlicher Basaltsplitt

 Referenzpunkte Z
 X
  Position der Löffelspitze
  Bewegung/Geschwindigkeit der Aktuatoren
  Masse des Splitts
  Zykluszeit
  Tanktemperatur

14 Bioschmierstoff-Tagung
 Sebastian Deuster
 09.02.2021

Ermittlung der maximalen Fluidtemperatur
 Ausleger Stiel Schaufel
 8 = 56,1 °C 6 = 53,7 °C
 Temperaturverteilung
 9 = 40,2 °C
  Maximale lokale Temperatur während des Zyklus
  Erfassung der Temperatur an relevanten
 9 = 49 °C
 Drosselstellen
 8 = 50,6 °C 6 = 48,5 °C
  Warmgefahrener Zustand:
  ∆ = ∆ − ∆  stationäres Verhalten 1 = 50,5 °C

 MCV
 Maximale Temperatur
 1 = 50,5 °C
  Einfahren des Stielzylinders
  Reibung an Zylinderwand und Querschnittsverengung Drehwerk
  = 56,1 ° = 49,8 °C
 VKM

 Tank = 51,8 °C

 = 47,9 °C

15 Bioschmierstoff-Tagung
 Sebastian Deuster
 09.02.2021

Entwicklung Biohydrauliköl

 Auswertung der Messergebnisse
  Ermittlung der minimalen Viskosität
  Tragfähiger Schmierfilm
  Interne Leckage gering halten

 39
 23,9
 Auswahl und Entwicklung eines Biohydrauliköls
  Synthetischer Ester (HEES)
  Anpassen der minimalen Viskosität anhand der
 56,1
 Messergebnisse mit Mineralöl
  Höherer VI von Biohydrauliköl

16 Bioschmierstoff-Tagung
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 09.02.2021

Agenda

 1 Einleitung und Motivation

 2 Messtechnische Ausstattung des Versuchsbaggers

 3 Bestimmung der optimalen Fluidparameter

 4 Zusammenfassung und Ausblick

17 Bioschmierstoff-Tagung
 Sebastian Deuster
 09.02.2021

Zusammenfassung
 Motivation

 7,4%
  Konzepte zur Effizienzsteigerung

 100%

 16,7%
 8,7%
  Projektmotivation
  Viskositätsabhängige Verluste 67,6%
 Messtechnik

  Planung
  Leistungsverluste
  Ausstattung
  Implementierung
 Durchführung

  Versuchsdurchführung
  Temperaturverteilung
  Temperaturgrenzen
  Fluidauslegung

18 Bioschmierstoff-Tagung
 Sebastian Deuster
 09.02.2021

Ausblick

 Entwicklung Biohydrauliköl
  Formulierung des Biohydrauliköl
  Hydrauliköl ausgelegt für das System
  Umölen des Hydrauliksystems

 Vergleichszyklus Biohydrauliköl
  Vergleichbare Zyklen
  Kraftstoffverbrauch
  Vergleich und Analyse der
 Ergebnisse

19 Bioschmierstoff-Tagung
 Sebastian Deuster
 09.02.2021

Vielen Dank
für Ihre Aufmerksamkeit

/Stu15/ Sturm, C., „Bewertung der Energieeffizienz von Antriebssystemen mobiler Arbeitsmaschinen am Beispiel Bagger“, KIT Scientific Publ., Karlsruhe, 2015.
/Vuk17/ Vukovic, M. Hydraulic hybrid systems for excavators. Dissertation, RWTH Aachen; Shaker Verlag GmbH, 2017.