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Der Rexroth-Hochleistungsfahrantrieb mit A4VG-Pumpe und A6VM-Motor ebnet den Weg für ein Downsizing des Dieselmotors. Alternativ senkt er unter Beibehaltung der installierten Leistung den Treibstoffverbrauch durch die Absenkung der Dieseldrehzahl. |
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Anfang 2014 treten deutlich strengere Grenzwerte für die Emissionen von mobilen Arbeitsmaschinen in Kraft. Sie stellen die Hersteller vor enorme technische Herausforderungen. Denn um die Anforderungen von Tier 4 final einzuhalten, müssen die meisten Systeme von Grund auf neu entwickelt werden. Damit entscheidet sich bereits 2010, für wen sich die künftigen Normen als Stolperstein erweisen.
Es gehört zu den Phänomenen der Perspektive, dass auf einer Wanderung selbst hohe Berge am Horizont überschaubar wirken. Erst auf dem letzten Abschnitt der Wegstrecke lassen sich alle Schwierigkeiten und Details erkennen. Ähnlich verhält es sich mit der Emissionsgesetzgebung der Europäischen Union und der USA. Seit 1999 gibt es eine Roadmap der EU für dieselbetriebene mobile Arbeitsmaschinen. Sie sieht vor, innerhalb von 15 Jahren in vier Stufen (Stages) die Grenzwerte für die Emission von Stickoxiden (NOx), Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoff (HC) und Rußpartikeln spürbar zu senken. In den USA gibt es einen vergleichbaren Zeitplan, der sich hinsichtlich der Grenzwerte und Termine nur leicht unterscheidet.
Derzeit werden mobile Arbeitsmaschinen auf Stufe Tier 3 beziehungsweise Tier 4 interim ausgerichtet. Hier wurden die Emissionen im Vergleich zu Tier 1 bereits etwa halbiert. Der Endpunkt ist Tier 4 final, der ab 2014 für die ersten Maschinen verbindlich wird. Hier müssen die NOx-Emissionen gegenüber Tier 3 nochmals mehr als halbiert werden.
Technische Herausforderungen
Aus der Ferne betrachtet scheint eine weitere Halbierung ein realistisches Ziel zu sein. Tatsächlich werden mit Tier 4 final die Karten jedoch gänzlich neu gemischt. Die Grenzwerte sind so streng, dass es erstmals nicht genügen wird, nur in Einzelbereichen zu optimieren. Ein effizienterer Dieselmotor, ein besseres Energiemanagement oder eine modernere Abgasaufbereitung haben in der Vergangenheit oft ausgereicht, um die Hürden zu nehmen.
Die mit Tier 4 final verbundenen Probleme dürfen nicht unterschätzt werden. Beispielsweise wird eine abgestimmte Kombination von Abgasnachbehandlung und Partikelfilter notwendig sein. Das erhöht den Entwicklungsaufwand und die Kosten durch Komponenten für die Einspritzung in die Abgasanlage sowie die zusätzlichen Töpfe für die Nachbehandlung. Das Gleiche gilt für den Dieselpartikelfilter. Weil durch die Komponenten auch der Platzbedarf im Motorraum erheblich steigt, sind die Fahrzeughersteller vor allem bei kleinen bis mittelgroßen Baumaschinen zu erheblichen Um- oder Neukonstruktionen gezwungen.
Um die kommenden Emissionsziele zu erreichen, ist eine ganzheitliche Systembetrachtung notwendig. In einer Reihe von Anwendungen wie zum Beispiel Baumaschinen bietet sich der hydrostatische Fahrantrieb als Möglichkeit an, um die wirtschaftlichen und technischen Auswirkungen der neuen Emissionsgrenzwerte auszugleichen. Je nach Ausgangslage ist sogar eine Überkompensation möglich. Wesentlicher Ansatzpunkt ist dabei eine Erhöhung des Druckniveaus im System. Die richtige Auslegung der hydrostatischen Antriebe mit Hochdruckpumpen und -motoren kann den Wirkungsgrad des Fahrantriebs insgesamt deutlich verbessern. So wird der Weg frei für ein Downsizing des Dieselmotors oder eine Verbrauchsreduzierung durch Absenken der Dieseldrehzahl unter Beibehaltung der installierten Leistung.
Fortschrittliche Komponenten für neue Systemlösungen
Gleichzeitig steigen dabei die Anforderungen an die Hochruckkomponenten. Auf Grund der stärkeren Belastungen besteht normalerweise die Gefahr für einen höheren Verschleiß und eine geringere Lebensdauer der Einheiten. Rexroth hat deshalb frühzeitig begonnen, eine neue Generation von Pumpen und Motoren zu entwickeln, die sich an den Herausforderungen von Tier 4 final orientiert. Um den hydrostatischen Fahrantrieb zu optimieren, wurde die Fahrpumpe A4VG zur neuen Baureihe 40 und der Fahrmotor A6VM zur neuen Baureihe 71 jeweils komplett überarbeitet und mit neu entwickelten Hochleistungstriebwerken versehen. Diese ermöglichen eine Erhöhung des Nenndruckes von 400 bar auf 450 bar (Höchstdruck: 500 bar), einhergehend mit einer Erhöhung der Nenndrehzahl sowie einer Verbesserung des Komponentenwirkungsgrades.
Das modulare Reglerkonzept der neuen Baureihen geht auf die unterschiedlichsten Markt- und Applikationsanforderungen ein. Mit den vielfältigen Optionen – von der einfachen mechanischen über die hydraulische Ansteuerung bis hin zur On-Board-Elektronik (OBE) – sind alle Steuer- und Regelungsstrategien möglich.
Die Pumpen und Motoren dieser neuen Generation hat Rexroth erstmals 2007 präsentiert. Somit haben sie bereits drei Jahre lang bewiesen, dass sie durch ihr robustes Design die hohen Erwartungen hinsichtlich Lebensdauer und Qualität bestens erfüllen.
Mehr Leistung trotz reduzierter Motorkraft
Der Leistungssprung in den Komponenten ist notwendig, um beispielsweise ein Downsizing des Dieselmotors zu ermöglichen. Denn bei gleicher Nenngröße der Axialkolbeneinheiten kann eine deutlich höhere Leistung übertragen werden. So kompensiert das erhöhte Druckniveau die geringere Antriebsleistung nicht nur im Anfahrpunkt, sondern über den gesamten Regelbereich des Fahrantriebes. Auf diese Weise haben Rexroth-Ingenieure mit ihrem Applikations-Know-how in verschiedenen Anwendungen den Gesamtwirkungsgrad im System bis zu 15 Prozent steigern können.
Damit ist es möglich, die Maschinenperformance auch bei Reduzierung der installierten Antriebsleistung beizubehalten, dank der höheren Leistungsdaten der neuen A4VG-Pumpe und des A6VM-Motors. Im optimalen Fall führt ein solches Downsizing dazu, unter die "magische" 56-kW-Grenze für den Dieselmotor zu gelangen.
Energierekuperation zur Leistungsglättung
Downsizing ist aber nur ein Ansatzpunkt, denn intelligente Hydraulik kann in vielen Bereichen dazu beitragen, die Tier-4-final-Thematik zu entschärfen. Beispielsweise bevorzugen Dieselmotor und das Abgasnachbehandlungssystem eine möglichst konstante Dieseldrehzahl. Eine geringe Schwankungsbreite – also ein für den Diesel wenig spürbarer Lastwechsel – senkt den Verbrauch und somit die Emissionen. Typischerweise haben aber gerade mobile Arbeitsmaschinen sehr hohe Schwankungen im Leistungsbedarf. Um diese gegensätzlichen Anforderungen zu vereinen, bietet sich die Energierekuperation an. Es gilt also, überschüssige Energie zu speichern und bei Leistungsspitzen gezielt wieder abzugeben.
Um dies zu ermöglichen, setzt Rexroth für seine Pumpen im offenen Kreislauf auf eine bekannte Technik: die Mooring-Steuerung. Eine verstellbare Arbeitshydraulikpumpe kann durch den Nullpunkt negativ schwenken, so dass eine Rekuperation von überschüssiger Energie durchgeführt werden kann. Eigens dafür entwickelte Softwaremodule erlauben eine exakte Steuerung der Leistungsaufnahme und -abgabe an das System. Für die bewährte A10VO-Pumpe wurde eigens ein optimiertes Reglerprogramm konzipiert. Zudem hat Rexroth die neu entwickelte Baureihe 40 der A11VO-Pumpe ebenfalls mooring-fähig gemacht. Diese neue Generation der A11VO-Pumpen wartet neben einer Druckerhöhung von zehn Prozent mit einer deutlichen Wirkungsgradverbesserung auf.
Vernetzung von Dieselmotor- und Hydrauliksteuerung
Ein weiterer Ansatzpunkt, um die gewohnt hohe Dynamik der Fahr- und Arbeitshydraulik mobiler Arbeitsmaschinen auch bei abgesenkten Dieselmotordrehzahlen zu erhalten, ist die intelligente Vernetzung von Hydraulik- und Dieselmotorsteuerung. Mit Diesel Hydraulic Control DHC hat Rexroth gemeinsam mit Bosch ein Verfahren entwickelt, das die herkömmliche Wirkungskette ändert. Fahr- und Arbeitshydraulik melden vorab die erwartete Lastanforderungen an den Dieselmotor, der vorausschauend arbeitet und so starke Schwankungen vermeiden kann. Hydraulik und Diesel kommunizieren miteinander und arbeiten gemeinsam daran, Verbrauch und Emissionen niedrig zu halten, ohne dass die Spritzigkeit der Fahr- und Arbeitshydraulik darunter leidet.
Die Zeit drängt
2014 erscheint noch weit weg. Tatsächlich müssen die Hersteller jedoch 2010 ihre Konzeption abgeschlossen haben. Denn nach dem Bau der Prototypen steht nur noch wenig Zeit zur Verfügung, um die Systeme zu erproben und zur Serienreife zu führen. 2010 wird damit zum entscheidenden Jahr. Wer dieses Jahr keine Grundkonzeption fertig stellt, hat geringe Chancen, Anfang 2014 fertige Maschinen präsentieren zu können, die die Emissionsnormen von Tier 4 final einhalten können. Weil der Antriebsstrang je nach Arbeitsmaschine überarbeitet und angepasst werden muss, stehen viele grundlegende Entscheidungen an. Mit seinem Applikations-Know-how unterstützt Rexroth die Hersteller bei der Aufgabe, für jede Anwendung individuelle Systementscheidungen zu treffen, die genau zu den Anforderungen passen. Fortschrittliche und in der Praxis bewährte hydraulische Hochleistungskomponenten sind hierbei eine unabdingbare Grundvoraussetzung. Denn nur mit einer Komponenten-Basis, auf deren Qualität sich ein Hersteller verlassen kann, lassen sich nachhaltige Energieeffizienz- und Wirkungsgradverbesserungen auf der Systemebene erzielen wie zum Beispiel mit Diesel Hydraulic Control, Energierekuperation oder dem Rexroth-Hochleistungsfahrantrieb.
Bildunterschriften
Bild 1:
Der Rexroth-Hochleistungsfahrantrieb mit A4VG-Pumpe und A6VM-Motor ebnet den Weg für ein Downsizing des Dieselmotors. Alternativ senkt er unter Beibehaltung der installierten Leistung den Treibstoffverbrauch durch die Absenkung der Dieseldrehzahl.
Bild 2:
Mit höherem Nenndruck und höherer Leistungsdichte senkt die neue Baureihe 40 der Rexroth-Axialkolbenpumpe A4VG Emissionen beim Hochleistungsfahrantrieb mobiler Arbeitsmaschinen.
Bild 3:
Besserer Langsamlauf durch Kombination von höherem Nenndruck, größerem spezifischen Schluckvolumen und höherer Drehzahl: neue Baureihe 71 des Axialkolbenverstellmotors A6VM von Rexroth.
Bild 4:
Durch den Einsatz von Hochdruckkomponenten ist ein bis zu 15 Prozent verbesserter Gesamtwirkungsgrad im System erreichbar.
Bild 5:
"Bewährte hydraulische Hochleistungskomponenten bieten beste Voraussetzungen, um die Tier-4-final-Ziele sicher zu erreichen."
Peter Dschida, Leiter Vertrieb Pumpen und Motoren im Geschäftsbereich Hydraulics der Bosch Rexroth AG.
Rexroth auf der bauma 2010: Halle A4, Stand 317/510
Die Bosch Rexroth AG ist einer der weltweit führenden Spezialisten von Antriebs- und Steuerungstechnologien. Für über 500.000 Kunden entstehen unter der Marke Rexroth maßgeschneiderte Lösungen zum Antreiben, Steuern und Bewegen. Bosch Rexroth ist Partner für die Anlagenausrüstung und Fabrikautomation, für mobile Arbeitsmaschinen sowie für die Nutzung regenerativer Energien. Als The Drive & Control Company entwickelt, produziert und vertreibt Bosch Rexroth seine Komponenten und Systeme in über 80 Ländern. Das Unternehmen der Bosch-Gruppe erzielte 2008 mit 35.300 Mitarbeitern einen Umsatz von rund 5,9 Mrd. Euro.
Mehr Informationen unter: www.boschrexroth.com/tier4
Autor:
Peter Dschida
Leiter Vertrieb Pumpen und Motoren im Geschäftsbereich Hydraulics der Bosch Rexroth AG
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Tel.: +49 7308 8170-2262
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