Työkoneiden päästöt kuriin digitaalihydrauliikalla Dos. Matti Linjama Hydrauliikan ja automatiikan laitos (IHA)
Paljonko tähän työtehtävään tarvitaan tehoa? Yhden lastaussyklin energia m*g*h = 20 kj Yksi sykli kestää 5 sekuntia Tarvittava keskiteho on 4 kw Siis ruohonleikkurin moottori riittää aivan hyvin 10.2.2014 2
Energia käyttö vs. tarve 0 kw 5 kw (lastaus) -3 kw (purku) 2 kw ~80 kw ~ 40 kw ~ 40 kw (C) Matti Linjama, TUT/IHA 3
Jotain on pahasti pielessä Koneet näyttäisivät käyttävän 10-20 kertaisesti energiaa tarpeeseen nähden Tämä on valitettavasti totta 10.2.2014 4
Kuinka merkittävästä asiasta on kyse? Tyypillinen kone Kuluttaa 10-20 litraa polttoainetta tunnissa Käytetään 2000-5000 tuntia vuodessa Kuluttaa 20 000 100 000 litraa polttoainetta vuodessa! Tyypillinen henkilöauto kuluttaa 1000 litraa polttoainetta vuodessa Kumpaan kannattaa panostaa? 10.2.2014 5
Miksi energiatehokkuus on huono? Järjestelmän mitoitus piikkitehon mukaan Joskus tarvitaan 200 kw sekunnin ajan. Laitetaan siis 200 kw Diesel moottori Perinteinen hydrauliikka on häviösäätöä Säätö tehdään jarruttamalla Ei energian talteenottoa Laskuliikkeet ja jarrutukset Käytön optimointi puuttuu Koneen ja koko konekannan käytön optimointi Käyttäjän opastus Start & stop 10.2.2014 6
Ratkaisuvaihtoehtoja Luovutaan hydrauliikasta Mitä tilalle? TAI Tehdään hydrauliikka oikein Digitaalihydrauliikka on yksi lupaavimmista tavoista tähän 10.2.2014 7
Voidaanko hydrauliikasta luopua? Aika hankalaa raskaissa koneissa Ylivoimainen tehotiheys Komponenttien hyötysuhteet ovat hyviä Ylikuormitussuoja helppoa Sietää vettä, kuraa, räntää, suolavettä, pakkasta, 10.2.2014 8
Digitaalihydrauliikka 1) Paljon samanlaisia kaksiarvoisia komponentteja 2) Älykäs ohjaus 10.2.2014 9
Digitaalihydrauliikan ominaisuuksia Mikä ihmeen hystereesi? 10.2.2014 10
Digitaalihydraulinen venttiili Kytketään useita venttiileitä rinnakkain Virtauspinta-ala = avonaisten venttiileiden virtauspinta-alojen summa Avausarvoja on 2 N 4 x 5 Venttiilipaketti 4 x 32 Venttiilipaketti 10.2.2014 11
Digitaalihydraulinen sylinteri Kytketään useita sylintereitä rinnakkain Joko vierekkäin tai jopa sisäkkäin Portaittain säädettävä pinta-ala (!) 2 sylinteriä sisäkkäin 16 erilaista voimaa D A B C 10.2.2014 12
Digitaalihydraulinen pumppumoottori-muunnin Uusi keksintö, joka on hieman vaikea selittää lyhyesti Suorittaa kaikki tarpeelliset paine- ja tilavuusvirtamuunnokset käytännössä ilman häviöitä A B C D E M LP 10.2.2014 13
Päästöt kuriin Jarrutetaan vähemmän käyttämällä digitaalihydraulisia venttiilistöjä 30 50 % pois häviöistä Ei auta piikkiteho-ongelmaan Tuotetaan vain keskiteho ja otetaan piikit paineakusta Digisylinterit Pumppu-moottori-muunnin Jopa 40 % pienempi Diesel Jopa 80 % pienemmät häviöt 10.2.2014 14
Esimerkki I: Paperikoneen nippivoiman säätö digitaalihydrauliikalla Typically, roll positions must be maintained within a tolerance of 0.1 millimeters, and the pressure must be within 0.2 bar of its set value. Using Model-Based Design, Metso developed a digital hydraulic system that meets these requirements, consumes 98% less energy, requires less floor space, and is more reliable than the proportional hydraulic systems traditionally used for nip control. Lähde: http://www.mathworks.com/tagteam/74783_92071v00_metso_userstory_final.pdf 10.2.2014 15
Losses [kj] Esimerkki II: Suuren hitausmassan asemasäätö Meff = 53000 kg 30 20 10 0 Proportional valve Digital valves Digital Cylinder 10.2.2014 16
Esimerkki III: Työkone Kauhahydrauliikka 30 % pois häviöistä digitaaliventtiileillä Ajovoimansiirto ja Diesel 25 % pois polttoaineen kulutuksesta reaaliaikaisella kokonaisoptimoinnilla! 2 x 10.2.2014 17
Visio: Digitaalihydraulinen hybridikone Energy storing accumulators Optimal Diesel size according to mean power requirement No cooler needed Over 70 % smaller losses Fuel Tank Diesel DPMT 50 % smaller fuel consumption Simplified hydraulic hardware Energy recovery from lowering and braking 10.2.2014 18
Mitä tästä seuraa? CO2 päästöt puolittuvat automaattisesti Hiukkaspäästöt murto-osaan Tasainen ja optimaalinen Dieselin kuormitus Start & Stop Pikkuhommat voidaan tehdä käynnistämättä konetta Käyttäjä säästää 10 000 50 000 vuodessa Kone kevenee ja halpenee 10.2.2014 19
Yhteenveto Sekä Dos. Linjama että Prof. Tikkanen uskovat, että työkoneiden kulutus voidaan puolittaa Kun tämä onnistuu, niin Tyypillisen koneen kulutus putoaa yhtä paljon, mitä henkilöauto kuluttaa 15 vuodessa Tämä onnistuu Yli 50 % tarvittavasta tutkimustyöstä on jo tehty Digitaalihydrauliikalla on tärkeä rooli kuviossa 10.2.2014 20