Energiankulutuksen vähentäminen työkoneiden hydraulijärjestelmissä

Diplomityö tehtiin osana HybLab-projektia, joka tutkii työkoneiden hybridisointia. Projektin tavoitteena on selvittää erilaisia ratkaisuja, joilla voidaan parantaa hydraulisten työkoneiden energiataloudellisuutta. Erilaisia ratkaisumalleja ja niiden toimivuutta selvitettiin kirjallisuustutkimuksella, simuloimalla ja testaamalla. Diplomityössä keskitytään pääosin regeneroiviin järjestelmiin ja olemassa olevien järjestelmien kehitysnäkökohtiin hyötysuhteen parantamiseksi. Työssä käsitellään hydraulitekniikan perusteet vain niiltä osin, jotka katsottiin olennaiseksi projektin ja diplomityössä käsiteltävien asioiden kannalta. Hydraulitekniikan ala on hyvin konservatiivinen ja monet suunnittelijat käyttävätkin hyväksi havaittuja, vanhoja suunnittelumetodeja. Tämän vuoksi hydraulitekniikan kehitys on pääosin komponenttien hyötysuhteiden ja toiminnallisuuden kehittämistä. Järjestelmätason kehittäminen on siis hitaampaa. Uusia innovaatioita kehitetään ja tutkitaan, mutta mikään innovaatio ei ole vielä mullistanut hydraulitekniikan järjestelmätason lähtökohtia. Sähköisillä toimilaite- ja venttiiliohjauksilla päästään selkeästi parempiin ominaisuuksiin ja niitä on alettu enenevässä määrin käyttää. Regeneroivia järjestelmiä ei juurikaan ole sovellettu mobilehydrauliikkaan, vaan esimerkiksi paineakkusovellukset ovat pääosin vain järjestelmän ominaisuuksia parantavia, tai poikkeustilanteita varten suunniteltuja toimintoja. Työn lähtökohtana on myös selvittää hydrauliikan asemaa työkoneen hybridisoinnissa ja hybridisoinnin mukanaan tuomia etuja ja haasteita. Esimerkiksi hydraulisen ajovoimansiirron osittainen korvaaminen sähköisellä ajovoimansiirrolla mahdollistaa pumppujen käytön myös sähkömoottoreilla, jolloin muun muassa vapaakierto voitaisiin korvata sähkömoottorin sulkemisella. Regeneroivia järjestelmiä tutkittaessa syntyi uusi idea paineakkujen soveltamisesta. Oleellisena ajatuksena on käyttää paineakun tuottoa ikään kuin syöttöpumppuna, eli paineakku liitetään pumpun imukanavaan ja näin vähennetään pumpun yli vallitsevaa paine-eroa. Järjestelmästä tehtiin simulointimalli ja rakennettiin koelaitteisto, jolla järjestelmän toimintaa ja ominaisuuksia voitiin tutkia. Tulokset olivat positiivia ja verrattuna normaalikäyttöön energian säästö oli huomattava