Linearaktuator Mehr Effizienz für mechanische Dieselmotoren

Elektrische Drosselklappen-Aktuatoren regeln die Motordrehzahl von mechanischen Dieselmotoren automatisch und bedarfsgerecht. Die so leicht und kostengünstig nachrüstbaren Dieselmotoren können dann bei Effizienz, Funktionalität, Emissionseinstufung und Sicherheit mit modernen, elektronischen Dieselmotoren mithalten.

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Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

elobau GmbH & Co. KG

Actronic-Solutions GmbH

Thomson Neff Industries GmbH

Moderne elektronische Dieselmotoren benötigen ultra-schwefelarmen Kraftstoff und verfügen über aufwändige Kraftstoff-Managementsysteme, wozu auch eine integrierte Drosselklappen-Ansteuerung gehört. Maschinen mit solchen Motoren bieten einen höheren Wirkungsgrad, eine erweitere Funktionalität, mehr Sicherheit für die Bediener und deutlich niedrigere CO₂-Emissionen. Zudem halten sie die Abgasnorm Tier 4F bzw. EU Stufe IV ein. Diese Vorteile sind jedoch mit höheren Kosten verbunden, sodass diese Motoren in bestimmten Einsatzbereichen oder geografischen Regionen nicht wettbewerbsfähig sind. Herkömmliche, mechanisch angesteuerte Dieselmotoren sind deutlich kostengünstiger in der Anschaffung. Insbesondere dort, wo die Abgasvorschriften weniger streng sind oder ultra-schwefelarmer Kraftstoff nicht ohne Weiteres verfügbar ist werden sie daher weiterhin Anwendung finden. Mit einem elektrischen Drosselklappen-Aktuator versehen, bieten sie ähnliche Eigenschaften wie ihre modernen, elektronischen Pendants.

Lineareinheit

Elektrischer Linearaktuator senkt Energiekosten

Elektrische Drosselklappen-Ansteuerung von Vorteil

Üblicherweise wird die Drehzahl eines Antriebs- oder Hilfsmotors in mobilen Arbeitsmaschinen über einen mechanischen Gaszug angesteuert, der in die Kabine geführt wird. Große Biegeradien stellen Konstrukteure bei der Führung solcher so genannten Bowdenzüge immer wieder vor Probleme. Besonders Hilfsmotoren liegen häufig weit entfernt von der Kabine, was dort die Anordnung der Bedienelemente erschwert. Zudem benötigen mechanisch angesteuerte Motoren eine regelmäßige Schmierung. Wird diese versäumt, können Probleme mit der Motorleistung auftreten.

Ein weiterer Nachteil der mechanischen Lösung: Einige Arbeitsgeräte erfordern je nach Einsatzzweck unterschiedliche Motordrehzahlen. Bei einer manuellen Ansteuerung kann ein Bedienfehler die Effizienz des Gerätes beeinträchtigen oder sogar zu dessen Beschädigung führen. Häufig bleiben Motoren in der Arbeitsdrehzahl, obwohl das Arbeitsgerät gar nicht im Einsatz ist, was in einem erhöhten Kraftstoffverbrauch, Geräuschpegel und Abgasausstoß resultiert.

Gesamtleistung und Effizienz der Maschine verbessert

Elektrische Aktuatoren dagegen können nahe dem oder direkt am Drosselklappenhebel montiert werden und benötigen lediglich ein Kabel oder einen Kommunikationsbus zur Kabine. Damit bieten sie im Unterschied zu Seilzügen eine bessere Gesamtleistung und Effizienz der Maschine. Sie lassen sich mit einem einfachen Potentiometer – wahlweise mit oder ohne Endschalter – ansteuern und können flexibel platziert werden, da für die Bedienung kein direkter Zugang erforderlich ist. So können Potentiometer-Lösungen unkompliziert in die Maschine integriert werden.

Elektrische Drosselklappen-Aktuatoren können darüber hinaus an ein Steuersystem angeschlossen werden, das die Drehzahl des Motors automatisch auf einen für die jeweilige Arbeit festgelegten Sollwert optimiert. Auf diese Weise lassen sich mehrere Drehzahl-Sollwerte für verschiedene Funktionen konfigurieren, beispielsweise eine Leerlauf-Drehzahl beim Anlassen, eine hohe Drehzahl beim Schleppen oder Bewegen von Lasten sowie eine mittlere Drehzahl zum Betrieb von Hydraulikpumpen, mit denen die Arbeitsfunktionen der Maschine gesteuert werden.

Abläufe automatisieren

Bei einem klassischen System muss jeder Aktuator mit seinem eigenen elektronischen Steuergerät verkabelt werden. Bei der Nutzung intelligenter Aktuatoren, die einen Kommunikationsbus verwenden (z.B. J1939), genügt ein einziges Kabel, das von der Steuereinheit zu den Aktuatoren geführt wird. Jeder Aktuator erhält seine eindeutige Adresse, empfängt alle Signale vom zentralen Steuersystem, reagiert jedoch nur auf diejenigen, die sich auf das Drosselklappensystem beziehen. Darüber hinaus liefern die Aktuatoren Statusinformationen, mit denen sie das Steuersystem über die Verstellgeschwindigkeit und Stellung informieren, was einen noch höheren Automatisierungsgrad ermöglicht. Über ein Bus-System können einfach zusätzliche Sensoren eingebaut werden, die weitere Messwerte wie Temperaturen erfassen. Zudem ist es möglich, die Drosselklappen-Ansteuerung mit anderen Fahrzeugfunktionen zu koppeln.

Lineareinheit

Mit Drosselklappen-Aktuator industrielle Nutzfahrzeuge einfacher konstruieren

Moderne Drosselklappen-Aktuatoren halten Temperaturen von –40 bis 125 °C, Vibrationen und Feuchtegraden stand. Zudem widerstehen die neuesten Modelle Wasser, Staub und Schmutz und erfüllen so die Schutzklassen IP67 oder IP69K – das heißt, sie vertragen auch eine Rosskur mit Heißdampf-Hochdruckreinigern. Ein typisches Modell ist für 500.000 Arbeitsspiele ausgelegt und kann bei maximaler dynamischer Last mit 50 % Einschaltdauer betrieben werden. Darüber hinaus werden diese Aktuatoren so konstruiert und getestet, dass sie den für mobile Arbeitsmaschinen typischen Stoß- und Vibrationsbelastungen standhalten.

Ein Erstausrüster für Kompaktlader konnte beispielsweise seine Produkteffizienz und somit seine Wettbewerbsfähigkeit steigern, indem er elektrische Drosselklappen-Aktuatoren an mechanisch angesteuerten Motoren einsetzt. Auf diese Weise erfüllt er die Marktnachfrage in Entwicklungsländern, wo elektronische Motoren schlicht zu teuer sind und ultra-schwefelarmer Kraftstoff zudem nicht verfügbar ist. Zur Einhaltung der Abgasnormen in Regionen wie Nordamerika, Westeuropa und Japan verwendet dieser Hersteller elektronische Motoren gemäß Tier 4F. Für weniger entwickelte Regionen bietet er kostengünstigere Modelle mit einem mechanisch betätigten Motor an, den er mit elektrischen Drosselklappen-Aktuatoren ergänzt, wenn die Kunden Funktionen wie eine automatische Leerlaufabsenkung oder vorkonfigurierte Drehzahl-Sollwerte wünschen.

Kraftstoffverbrauch, Geräuschentwicklung und Motorverschleiß gesenkt

An mobilen Baustellengeräten wie Generatoren und Kompressoren hat die Verwendung elektrischer Drosselklappen-Aktuatoren zusammen mit Bedarfssensoren die Motordrehzahl optimiert und so nachweislich Kraftstoffverbrauch, Geräuschentwicklung und Motorverschleiß gesenkt. Beispielsweise nutzt ein Dieselgenerator zum Laden von Akkus eines mobilen Kommunikations- oder Beleuchtungssystems einen Sensor, der die Motordrehzahl entsprechend des Akku-Ladestatus´ regelt. In Einsatzbereichen, wo Generatoren verwendet werden, um Elektrowerkzeuge wie Schweißgeräte, Trennschleifer, Bohrmaschinen usw. mit Strom zu versorgen, ist die Steuerung der Motordrehzahl entscheidend, um die korrekte Spannung sicherzustellen. Bei Bewässerungs- oder Löscharbeiten kann mit einer einfachen Fernbetätigung der elektrischen Drosselklappensteuerung die Wassermenge verstellt werden, da die Pumpenleistung sich direkt proportional zur Motordrehzahl verhält.

Antriebstechnik

CO₂-Emission in Traktor, Bagger und Co. reduzieren

Letztendlich sorgen elektrische Drosselklappen-Aktuatoren für einen effizienteren Betrieb mechanisch angesteuerter Dieselmotoren. Aufgrund der verbesserten Steuerbarkeit können Abläufe weiter automatisiert werden, was die Produktivität steigert, die Geräuschentwicklung senkt, die Sicherheit erhöht und dank eines optimierten Kraftstoffverbrauchs besonders umweltfreundliche Lösungen ist. Diese robusten Aktuatoren sind praktisch wartungsfrei und bieten in vielen Einsatzszenarios eine wirtschaftlich interessante Alternative zu elektronischen Motoren mit vollständigen Kraftstoffmanagement-Systemen. (sh)

* Håkan Persson ist Product Line Manager für Industrial Linear Actuators bei Thomson Industries Inc., Kristianstad, Schweden

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