Reno Filla, HD’07
Effektivare hjullastare – hybrider?
Reno FillaResearch & Development, Hauler & Loader Division, Volvo Construction Equipment AB, Eskilstuna reno.filla@volvo.com
Sammanfattning
Med allt högre bränslepriser och den tilltagande samhällsdebatten om växthusgaser och klimatförändring förvånar det inte att även företag utanför personbils-branschen undersöker alternativa systemlösningar för att minska avgasutsläppen och oljeberoendet. Detta föredrag presenterar Volvo CE:s satsning på elhybrider med fokus på hjullastare.
1 Bakgrund
Debatten om klimatförändringen på grund av växthuseffekten är i full gång. Det är bevisat att medel-temperaturen har ökat signifikant och kommer att fortsätta öka. Polarisen smälter och havets cirkulation påverkas, vilket syns genom fenomen som El Niño och en försvagad golfström. Allt fler accepterar att klimatet påverkas av ett antal faktorer, som till största delen kan knytas till människan. Bland forskare är detta principiellt etablerat som ett faktum, och nu följer även politiska, industriella och samhällsekonomiska beslutsfattare.
Samtidigt som problemet med det stora koldioxid-utsläppet diskuteras och användandet av fossila bränslen ifrågasätts, blir ett annat problem alltmer uppenbart, som direkt påverkar basen för dagens världsekonomi: mängden av råoljan är begränsad. Idag har ett antal stora oljefält passerat sin maximala leveransförmåga och är på väg ner. Andra oljefält ligger precis på toppen och bara väldig få, som dessutom ligger i politisk instabila områden, har fortfarande kapacitet för att öka leveranserna. Samtidigt som dessa än inte helt utnyttjade oljefält förväntas att kompensera för den sjunkande produktionen av andra fält, behöver de dessutom öka leveransen ytterligare för att hantera det alltjämt ökande behovet av råolja. Det är därför ytterst troligt att den globala produktionen av råolja
kommer att nå sin topp inom femton år för att sedan inte längre förmå att uppfylla behovet fullt ut.
Även om en delvis övergång till andra fossila bränslen som naturgas, kol och okonventionella källor tillfälligt kan skjuta upp konflikten, så är det inte en fråga om behovet blir större än tillgångarna, utan när. En analys visar dessutom att de så kallade ”alternativa bränslena” snarare är komplementära, d.v.s. med deras hjälp kan problemet flyttas i tid, men sannolikt inte lösas i grunden.
Detta har stor påverkan på samhällsekonomin. Oljan står för mer än 97% av all energi som används inom transportsektorn. I framtiden kommer konkurrensen om den kvarvarande oljan bli allt hårdare. För transport-industrin betyder det en dramatisk ändring av förut-sättningarna. Kostnaderna för transport kommer att öka dramatiskt i och med att såväl maskiner och fordon blir dyrare samt bränslepriset ökar signifikant. Utmaningen framöver är att minimera transport (t.ex. genom avancerad logistik) samt att genomföra den absolut nödvändiga transporten med så högt energieffektivitet som möjligt.
Förutom lagkrav exempelvis med avseende på avgasemissioner har vid utveckling av nya fordon och maskiner hittills en viss balans av låga fasta kostnader (inköpspris) och låga variabla kostnader (underhåll och bränsleförbrukning) varit i fokus. En analys av de totala ägandekostnaderna visar att bränslekostnaderna i fram-tiden blir väldigt snabbt dominerande. Detta måste innebära satsningar på fordon och maskiner med ännu lägre bränsleförbrukning. Volvo CE har historiskt sett lyckats mycket väl med att hitta en bra blandning av prestanda, körbarhet och effektivitet i sina arbetsmaskiner. Som affärsområde inom AB Volvo finns nu möjligheten att använda sig av hybridtekniken, som ursprungligen tagits fram för bussar och lastbilar, även i arbetsmaskiner som hjullastare, dumprar och grävmaskiner.
Reno Filla, HD’07
2 Hjullastare
som
arbetsmaskin
En hjullastare är en väldigt komplex arbetsmaskin där hydrauliken och drivlinan är lika viktiga. Principiellt kan man reducera förlusterna genom att angripa problemet på tre olika nivåer:
1. komponentnivå 2. delsystemsnivå 3. komplettsystemsnivå
För en hjullastare skulle punkt 1 betyda att man arbetar med konstruktion av effektivare komponenter som t.ex. transmissioner, dieselmotorer, hydraulventiler osv. Nästa nivå är att man betraktar komponenterna i sitt samman-hang d.v.s. hur dessa tillsammans bildar ett delsystem (hydraulsystem, drivlina). Vissa komponenter kan betraktas som ett delsystem i sig själv, som t.ex. en diesel-motor. Punkt 3 innebär sedan att man betraktar del-systemen i sitt sammanhang d.v.s. hur dessa tillsammans bildar det kompletta systemet (hjullastaren). Den gemen-samma tanken bakom en systembetraktelse är att fokuset inte är så mycket på att åstadkomma enskilda optimala delar av systemet (suboptimala lösningar), utan att nå ett övergripande optimum.
I en hjullastare konkurrerar arbetshydrauliken och drivlinan om dieselmotorns begränsade effekt och vrid-moment. Balansen mellan dessa två system präglas av en hög dynamik, vilket är en avgörande skillnad mot vad som är fallet i person- och lastbilar. Ett exempel på ett kritiskt fall kan ses i fig. 1, där visas hur de viktigaste systemen i en hjullastare är kopplade och vilka beroenden som finns vid skopfyllnaden.
Fig. 1: Energi- och informationsflöde i en hjullastare vid
skopfyllnad (förenklat)
Motorns vridmoment kan ta två olika vägar. En sådan överföringsväg går genom hydraulpumparna, cylindrarna och lastaggregatet fram till redskapet, där momentet åstadkommer skoprörelserna. Vridmomentets andra väg är genom momentomvandlaren, växellådan och axlarna ner till hjulen, där framdrivningen åstadkoms.
Eftersom delsystemen är kopplade till varandra via svänghjulet, delas i praktiken motorns vridmoment upp på dessa två överföringsvägar. Just vid fyllnadsfasen, d.v.s. när skopan är i grushögen, får man ytterligare en stark koppling mellan delsystemen. För att minska alla (varvtalsberoende) förluster eftersträvar man att använda dieselmotorn på så lågt varvtal som möjligt. På grund av den starka kopplingen mellan motor, drivlina och hydraul-system innebär detta att man ställer höga krav på diesel-motorns prestanda (fig. 2).
Fig. 2: Effektfördelning på hydraulik och drivlina i lastarcykel
Det totala systemets verkningsgrad kan höjas genom att det kopplas isär: Om dieselmotorn (med hjälp av en elgenerator) bara levererar elektrisk effekt och såväl drivlina och arbetshydraulik drivs av var sin elmotor (eller fler), så kan varje delsystem opereras med högsta möjliga effektivitet oberoende av de andra delarna.
3 Referenser
[1] Filla, R. Operator and Machine Models for
Dynamic Simulation of Construction Machinery.
Licentiatsavhandling, Linköping, 2005.
