Hydraulisen hybridin simulointi liikkuvassa työkoneessa
Lamminpää, Eemeli (2018)
2018
Automaatiotekniikka
Teknisten tieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2018-12-05
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201811212649
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201811212649
Tiivistelmä
Päästöihin kiinnitetään kasvavassa määrin huomioita ja polttoaineen osuus työkoneiden operointikustannuksista on merkittävä. Näiden vauhdittamana autoteollisuudesta tuttu hybridisointi tekee tuloaan työkonepuolelle.
Teoriaosuudessa esitellään pääosin työkoneissa tutkittuja hybridiratkaisuja ja niiden ohjaustapoja. Pääpainona ovat hydrauliset hybridit ja niiden sääntöpohjaiset ohjaukset. Työssä esitellään myös Tampereen teknillisen yliopiston automaation ja hydrauliikan laboratoriossa rakennettu keskikokoinen pyöräkuormaaja. Pyöräkuormaajasta on tehty simulointimalli, jota voidaan ajaa reaaliaikaympäristössä.
Tässä työssä mallinnettiin hydraulinen energiavarasto ja sille toteutettiin tehoperustainen ohjauslogiikka. Energiavarasto koostuu pumppu-moottorista, venttiilistä ja paineakusta. Mallinnettu energiavarasto ohjauksineen liitettiin pyöräkuormaajan simulointimalliin rinnakkaishybriditoteutuksena. Hybridimallissa pyöräkuormaajan dieselmoottori skaalattiin 50 % pienemmäksi tuotetun momentin ja polttoaineen ruiskutuksen osalta. Toteutetulle hybridille kehitettiin kahden teholähteen sääntöpohjainen ohjauslogiikka, jolla pyrittiin pienentämään polttoaineen kulutusta.
Hybridipyöräkuormaajaa verrattiin laboratorion simulointimalliin, joka sisältää MinRpm-ohjauksen. Hybridin ja vertailukoneen ohjaukset perustuvat dieselmoottorin kierrosnopeuden minimointiin. MinRpm-ohjaus on testattu fyysisellä koneella, ja sillä on saavutettu työsyklissä noin 30 % polttoaineen säästö verrattuna vastaavaan kaupalliseen koneeseen. Tässä työssä vertailu toteutetaan reaaliaikasimulointina lyhyessä lastaussyklissä, jossa soraa lastataan kasasta kuorma-auton lavalle. Ohjaus koneelle annetaan käyttäjäohjauksena, joka toteutetaan vastaamaan kokeneen kuljettajan ohjausta.
Simulointitulosten perusteella hybridi kykenee samaan työsuoritteeseen vertailukoneen kanssa, mutta kuluttaa keskimäärin 4,5 % enemmän polttoainetta. Pääosin syynä on energiavaraston kokonaishyötysuhde, joka on syklin aikana noin 60 %. Näin korkeaan hyötysuhteeseen pääsemiseksi energiavarastoa käytetään suurilla suhteellisilla ohjauksilla, mikä voi vaikuttaa negatiivisesti käyttäjäkokemukseen. Regeneratiivinen jarrutusenergia jää vähäiseksi syklin nopeatempoisuuden takia, jolloin paineakkua on ladattava dieselmoottorin kierrosnopeutta nostamalla. Simulointitutkimuksessa dieselmoottorilta saatava energia kasvaa suhteessa enemmän kuin polttoaineen kulutus. Tämä tarkoittaa, että hybridikoneessa dieselmoottori toimii keskimäärin paremmalla hyötysuhteella.
Teoriaosuudessa esitellään pääosin työkoneissa tutkittuja hybridiratkaisuja ja niiden ohjaustapoja. Pääpainona ovat hydrauliset hybridit ja niiden sääntöpohjaiset ohjaukset. Työssä esitellään myös Tampereen teknillisen yliopiston automaation ja hydrauliikan laboratoriossa rakennettu keskikokoinen pyöräkuormaaja. Pyöräkuormaajasta on tehty simulointimalli, jota voidaan ajaa reaaliaikaympäristössä.
Tässä työssä mallinnettiin hydraulinen energiavarasto ja sille toteutettiin tehoperustainen ohjauslogiikka. Energiavarasto koostuu pumppu-moottorista, venttiilistä ja paineakusta. Mallinnettu energiavarasto ohjauksineen liitettiin pyöräkuormaajan simulointimalliin rinnakkaishybriditoteutuksena. Hybridimallissa pyöräkuormaajan dieselmoottori skaalattiin 50 % pienemmäksi tuotetun momentin ja polttoaineen ruiskutuksen osalta. Toteutetulle hybridille kehitettiin kahden teholähteen sääntöpohjainen ohjauslogiikka, jolla pyrittiin pienentämään polttoaineen kulutusta.
Hybridipyöräkuormaajaa verrattiin laboratorion simulointimalliin, joka sisältää MinRpm-ohjauksen. Hybridin ja vertailukoneen ohjaukset perustuvat dieselmoottorin kierrosnopeuden minimointiin. MinRpm-ohjaus on testattu fyysisellä koneella, ja sillä on saavutettu työsyklissä noin 30 % polttoaineen säästö verrattuna vastaavaan kaupalliseen koneeseen. Tässä työssä vertailu toteutetaan reaaliaikasimulointina lyhyessä lastaussyklissä, jossa soraa lastataan kasasta kuorma-auton lavalle. Ohjaus koneelle annetaan käyttäjäohjauksena, joka toteutetaan vastaamaan kokeneen kuljettajan ohjausta.
Simulointitulosten perusteella hybridi kykenee samaan työsuoritteeseen vertailukoneen kanssa, mutta kuluttaa keskimäärin 4,5 % enemmän polttoainetta. Pääosin syynä on energiavaraston kokonaishyötysuhde, joka on syklin aikana noin 60 %. Näin korkeaan hyötysuhteeseen pääsemiseksi energiavarastoa käytetään suurilla suhteellisilla ohjauksilla, mikä voi vaikuttaa negatiivisesti käyttäjäkokemukseen. Regeneratiivinen jarrutusenergia jää vähäiseksi syklin nopeatempoisuuden takia, jolloin paineakkua on ladattava dieselmoottorin kierrosnopeutta nostamalla. Simulointitutkimuksessa dieselmoottorilta saatava energia kasvaa suhteessa enemmän kuin polttoaineen kulutus. Tämä tarkoittaa, että hybridikoneessa dieselmoottori toimii keskimäärin paremmalla hyötysuhteella.