Projekt 27126/01

Entwicklung und Untersuchung eines drehzahlvariablen Dieselgenerators kleiner Leistung

ProjekttrÀger

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 ĂŒblichen 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 abhĂ€ngig 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 durchgefĂŒhrt. Lastprofile bilden das spezielle Know-How eines Maschinenherstellers. Durch intensive Recherchen sollen die fĂŒr die Auslegung notwendigen Daten beschafft werden.
SimulationsunterstĂŒtzung: Zur UnterstĂŒtzung der Entwicklung sind Simulationen geplant, die als Basis fĂŒr die Auslegung des Funktionsmusters dienen. Die vorab ermittelten Lastprofile sind Input fĂŒr die Simulation. Neben einem Modell des Verbrennungs- und Elektromotors wird auch die Leistungs- und Steue-rungselektronik zu berĂŒcksichtigen.
Auslegung der E-Maschine mit Programmsystem FLUX.
Herstellung des Generators: Permanenterregter Synchrongenerator; bĂŒrstenlos, 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 SystemsteuergerĂ€ts zur Kennfeldsteuerung (optimale Dieseldrehzahl fĂŒr jeden Lastpunkt), bzw. zur Vorsteuerung der Dieseldrehzahl vor Lastspitzen.
Aufbau des Demonstrationsaggregates, zusammen mit Dieselmotor-Hersteller Fa. Hatz.
Funktionstests des Aggregates auf PrĂŒfstĂ€nden der Fa. Heinzmann und des Lehrstuhls fĂŒr Mobile Ar-beitsmaschinen; Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen als Basis fĂŒr 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 fĂŒr Mobile Arbeitsmaschinen (Mobima) vom Karlsruher Institut fĂŒr 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 ausgewĂ€hlt und an einem PrĂŒfstand vermessen. Des Weiteren wurde ein PrĂŒfstand 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 fĂŒr 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 ĂŒber 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. ZusĂ€tzlich fĂŒhrt ein Betrieb bei niedriger Drehzahl zu einem insgesamt ruhigeren Lauf und geringeren GerĂ€uschemissionen.
Zu berĂŒcksichtigen 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 fĂŒr kontinuierliche Lastprofile setzt jedoch eine kontinuierliche Änderung der Drehzahl voraus. Wie an den Simulationsergebnissen zu erkennen ist, fĂŒhrt die bei der Beschleunigung auftretende Kraftstoffspitze nur zu einer geringen Erhöhung des Gesamtverbrauchs und kann vernachlĂ€ssigt werden.
Weiterhin muss fĂŒr einen einwandfreien Betrieb bei variabler Drehzahl sichergestellt sein, dass das System auf unvorhersehbare LastsprĂŒnge am Verbraucher reagieren kann, d. h. der Verbrennungsmotor nicht abstellt. Dieses Verhalten konnte im Rahmen dieses Projektes nicht geklĂ€rt werden - da kein Energiespeicher zur Pufferung zur VerfĂŒgung 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 grundsÀtzlich einen erheblichen Beitrag zur Verringerung der Umweltbelastung leisten kann.


Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation

Die Ergebnisse wurden schon mit dem interessierten Motorenhersteller Motorenfabrik HATZ GmbH & Co.KG in einem Treffen mitgeteilt. ZusĂ€tzlich werden weitere Heinzmann Kunden, die daran interessiert sein könnten, darĂŒber informiert werden (z. B. Greaves Farymann Diesel GmbH, Deutz AG/Lister-Petter-Motorenreihe). Es ist Ziel, das entwickelte Produkt fĂŒr 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 demnĂ€chst 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 GerĂ€usch große Vorteile des VSG gegenĂŒber 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 abzuwĂŒrgen. FĂŒr HEINZMANN ergibt sich ein neues Produkt, das den bestehenden Produktbereich Generatormanagement ergĂ€nzt. 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-WĂŒrttemberg

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik