Projekt 27126/01

Entwicklung und Untersuchung eines drehzahlvariablen Dieselgenerators kleiner Leistung

Projektträger

Heinzmann GmbH & Co. KG
Am Haselbach 1
79677 Schönau
Telefon: 07673/8208-295

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Kleine Leistungseinheiten, so genannte auxiliary power units (APU) erzeugen aus chemischer Energie durch Umwandlung zuerst mechanische (Verbrennungsmotor) und letztlich elektrische Energie (Generator). Der schlechte Wirkungsgrad ergibt sich aus der heute üblichen Regelung: Die Aggregate werden mit konstanter Drehzahl betrieben und besitzen daher insbesondere im Teillastbereich einen schlechtem Wirkungsgrad. Durch die Anpassung der Drehzahl des Verbrennungsmotors an die Kurve optimalen Verbrauchs kann der Gesamtwirkungsgrad des Systems deutlich gesteigert werden. Ziel dieses Projektes ist es, optimierte Komponenten einzusetzen und eine Regelung zu entwickeln, die abhängig von der benötigten Leistung die Drehzahl des Verbrennungsmotors an maximalen Wirkungsgrad anpasst.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenRecherche: Auf Basis von Lastprofilen wird eine Auslegung der Einheiten durchgeführt. Lastprofile bilden das spezielle Know-How eines Maschinenherstellers. Durch intensive Recherchen sollen die für die Auslegung notwendigen Daten beschafft werden.
Simulationsunterstützung: Zur Unterstützung der Entwicklung sind Simulationen geplant, die als Basis für die Auslegung des Funktionsmusters dienen. Die vorab ermittelten Lastprofile sind Input für die Simulation. Neben einem Modell des Verbrennungs- und Elektromotors wird auch die Leistungs- und Steue-rungselektronik zu berücksichtigen.
Auslegung der E-Maschine mit Programmsystem FLUX.
Herstellung des Generators: Permanenterregter Synchrongenerator; bürstenlos, elektronisch kommutiert, etwa 7 kW elektrische Leistung, Auslegung des Inverters.
Entwicklung der Software zur optimalen elektronischen Kommutierung.
Zusammenbau des Synchrongenerators und des Verbrennungsmotors.
Entwicklung der Software des Systemsteuergeräts zur Kennfeldsteuerung (optimale Dieseldrehzahl für jeden Lastpunkt), bzw. zur Vorsteuerung der Dieseldrehzahl vor Lastspitzen.
Aufbau des Demonstrationsaggregates, zusammen mit Dieselmotor-Hersteller Fa. Hatz.
Funktionstests des Aggregates auf Prüfständen der Fa. Heinzmann und des Lehrstuhls für Mobile Ar-beitsmaschinen; Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen als Basis für die Serienentwicklung.
Auswertung und Dokumentation.


Ergebnisse und Diskussion

Im Entwicklungsprojekt VSG - Variable Speed Generator haben die Projektpartner Heinzmann GmbH und Co. KG und der Lehrstuhl für Mobile Arbeitsmaschinen (Mobima) vom Karlsruher Institut für Technologie zusammen mit dem assoziierten Projektpartner Motorenfabrik HATZ GmbH & Co.KG ein System aus Dieselmotor und elektrischem Generator aufgebaut, das durch Drehzahlanpassungen kraftstoffsparend fahren kann.
Es wurden geeignete elektrische Komponenten ausgewählt und an einem Prüfstand vermessen. Des Weiteren wurde ein Prüfstand aufgebaut, in dem ein Dieselmotor und die elektrischen Komponenten wie Generator und Umrichter verbaut wurden. Weiterhin wurde ein Simulationsmodell erstellt, das aufbauend auf Kennfeldern eine Verfahrlinie optimalen Kraftstoffverbrauchs generieren kann und die Kraftstoffeinsparung für beliebige Lastprofile berechnen kann.
Unter Verwendung der im Simulationsmodell bestimmten Kurve optimalen Verbrauchs wurde der Kraftstoffverbrauch des Diesels gemessen und mit dem IST-Zustand mit konstanter Drehzahl verglichen.
Das Ergebnis zeigt ein hohes Kraftstoff-Einsparpotential von mindestens 30% bis über 40 % bei den untersuchten Lastprofilen. Dieses in dieser Deutlichkeit nicht vorhergesehene Ergebnis zeigt die hohen Potenziale zur Ressourcenschonung und entsprechender Reduzierung der Abgasemissionen auf. Es ist anzunehmen, dass auch bei Lastprofilen mit weniger großen Schwankungen der geforderten Leistung die Kraftstoffeinsparung immer noch signifikant ausfallen wird. Zusätzlich führt ein Betrieb bei niedriger Drehzahl zu einem insgesamt ruhigeren Lauf und geringeren Geräuschemissionen.
Zu berücksichtigen ist bei einer kritischen Analyse der Ergebnisse, dass die Leistung nur stufenweise abgerufen wurde und die Beschleunigungsphasen dementsprechend nur vereinzelt auftreten konnten. Ein verbrauchsoptimaler Betrieb des Systems für kontinuierliche Lastprofile setzt jedoch eine kontinuierliche Änderung der Drehzahl voraus. Wie an den Simulationsergebnissen zu erkennen ist, führt die bei der Beschleunigung auftretende Kraftstoffspitze nur zu einer geringen Erhöhung des Gesamtverbrauchs und kann vernachlässigt werden.
Weiterhin muss für einen einwandfreien Betrieb bei variabler Drehzahl sichergestellt sein, dass das System auf unvorhersehbare Lastsprünge am Verbraucher reagieren kann, d. h. der Verbrennungsmotor nicht abstellt. Dieses Verhalten konnte im Rahmen dieses Projektes nicht geklärt werden - da kein Energiespeicher zur Pufferung zur Verfügung stand - und sollte daher im Rahmen nachfolgender Projekte untersucht werden.
Die erreichten Ergebnisse sind unerwartet vielversprechend und lassen den Schluss zu, dass der drehzahlvariable Generator (Variable Speed Generator) durch seine deutliche Kraftstoffeinsparung grundsätzlich einen erheblichen Beitrag zur Verringerung der Umweltbelastung leisten kann.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse wurden schon mit dem interessierten Motorenhersteller Motorenfabrik HATZ GmbH & Co.KG in einem Treffen mitgeteilt. Zusätzlich werden weitere Heinzmann Kunden, die daran interessiert sein könnten, darüber informiert werden (z. B. Greaves Farymann Diesel GmbH, Deutz AG/Lister-Petter-Motorenreihe). Es ist Ziel, das entwickelte Produkt für kleinere Generator-Sets zu vermarkten, die als Auxiliary Power Units APU oder zur Versorgung von elektrischen Inselnetzen zum Einsatz kommen sollen. Das neue Produkt VSG wird demnächst auf der Website der Fa. HEINZMANN dargestellt werden und es werden in 2011 Prospekte hierzu erstellt werden.

Ende 2010 bzw. im Jahr 2011 sollen die Projekt-Ergebnisse auf internationalen Konferenzen und in deutscher / internationaler Fachpresse dargestellt werden.


Fazit

Die Projekt-Resultate von gefahrenen Lastprofilen ergaben hinsichtlich Kraftstoffverbrauch, Emissionen und Geräusch große Vorteile des VSG gegenüber konventionellen Generatoranlagen, die mit konstanter Drehzahl betrieben werden. Der Einsatz von VSG ist allerdings nur im Inselbetrieb sinnvoll, wo die elektrische Energie den Bedarf zeitparallel erzeugen muss. Hierzu ist noch eine Pufferbatterie nötig, um den Verbrennungsmotor durch schnelle Lastanforderung nicht abzuwürgen. Für HEINZMANN ergibt sich ein neues Produkt, das den bestehenden Produktbereich Generatormanagement ergänzt. Hierbei ist jedoch zwingend ein Kooperationspartner aus der Motorenbranche notwendig

Übersicht

Fördersumme

124.234,00 €

Förderzeitraum

10.12.2008 - 31.07.2010

Internet

www.heinzmann.com

Bundesland

Baden-Württemberg

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik