Institut für Fahrzeugsystemtechnik

Effizienzsteigerung im Konstantdrucksystem – Selbst-Optimierende Steuerstrategie zur Verlustminimierung eines Konstantdrucksystems mit Zwischendruckleitung und 4-Flächen-Zylinder

  • Ansprechpartner:

    Marco Wydra

  • Förderung:

    Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi

  • Partner:

    Argo-Hytos GmbH       
    Bosch Rexroth AG       
    HAWE Hydraulik SE    
    Hydac Technology GmbH        
    Hydrive Engineering GmbH      
    Hydrotechnik GmbH    

    Wessel-Hydraulik GmbH

  • Starttermin:

    September 2019

  • Endtermin:

    November 2021

Motivation

„The cheapest energy is what you don’t use.“ (Arthur H. Rosenfeld, USA) Effizienzsteigerungen in einem System sind geeignet, laufende Kosten einer mobilen Arbeitsmaschine zu reduzieren. Zudem wirken sich Effizienzsteigerungen bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Systemen unmittelbar auf den CO2-Ausstoß und das Klima positiv aus. Arbeitsmaschinen mit geringen Energiekapazitäten, wie bspw. batteriebetriebene Maschinen, können durch eine energieeffiziente Hydraulik länger eingesetzt werden. Vor diesem Hintergrund wird das Potential eines Konstantdrucksystems mit Zwischendruckleitung aufgegriffen und durch den Einsatz eines 4-Flächen-Zylinders sinnvoll erweitert.

Projektziele

Das Verbundvorhaben „Effizienzsteigerung im Konstantdrucksystem“ hat das Ziel, die Energieeffizienz des Arbeitssystems einer mobilen Arbeitsmaschine durch Verbindung zweier, erfolgreich getesteter Forschungsansätze zu steigern. Dabei wird das bekannte KonZwi-System so modifiziert, dass ein 4-Flächen-Zylinder optimal eingesetzt werden kann. Systembedingte Drosselverluste, die bei der Ansteuerung von Zylindern entstehen, können signifikant reduziert werden. Dies geschieht zum einen durch das Anpassen des benötigten Druckniveaus durch Kombination der vier Zylinderflächen an die drei bereitstehenden Druckpotentiale von Hochdruck, Zwischendruck und Niederdruck. Zum anderen durch das Regenerieren sowie Rekuperieren potentieller / kinetischer Energie mithilfe eines Druckspeichers in der Zwischendruckleitung. Durch die zu entwickelnde Steuerungstechnik soll zudem die Steuerbarkeit des Gesamtsystems gewährleistet werden. Beispielhaft werden das Potential und die Leistungsfähigkeit mithilfe von Software-in-the-Loop und einer gekoppelten Simulation anhand des Y-Zyklus eines Radladers und dem 90°-Arbeitsspiel eines Baggers dargestellt.

Lösungsansatz

Zunächst werden die Komponenten auf die Lastfälle des Radladers bzw. Baggers angepasst. Als Ergebnis werden die optimale Speichergröße, der Vorspanndruck und die Zylinderflächen bestimmt. Genauso wird eine geeignete Ventiltopologie erarbeitet, welches die notwendigen Schalzustände ermöglicht. Aufgrund der Vielzahl an Zuständen, handelt es sich dabei um ein multikriterielles Optimierungsproblem. Dieses kann z.B. mit Hilfe einer Pareto-Optimierung gelöst werden. Mittels dieser Optimierung wird anhand quasistatischer Punkte der Lastzyklen eine Optimalsteuerung erarbeitet, welche das maximal mögliche Effizienzpotential des neuen Systems aufzeigt. Mittels der Erstellung angepasster Simulationsmodelle für Radlader und Bagger, wird eine selbst-optimierende prädiktive Steuerstrategie entwickelt, welche dann die Potentialhebung darstellt. Selbst-optimierenden Steuerungen können beispielsweise prädiktive Algorithmen und Methoden des Maschinellen Lernens sein. Final werden die Ergebnisse der Simulation dem max. Effizienzpotential gegenübergestellt und bewertet.

Förderung

Gefördert durch Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.

IGF-Nr: 20291 N/1

AiF – Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e. V.