Kraftstoffverbrauchs- und Emissionsmonitoring bei Baumaschinen anhand definierter Lastzyklen auf Baustellen

Abstract

Der Emissionsausstoß und der hohe Kraftstoffverbrauch bei Baumaschinen stellen die Bauindustrie in Zeiten immer strenger werdender Abgasemissionsrichtlinien und höherer Dieselpreise vor große Herausforderungen. Eine Reduktion der Schadstoffemissionen und des Treibstoffverbrauchs ist daher unumgänglich. Ein österreichisches Start-Up Unternehmen mit dem Namen DROP-NOx stellt sich dieser Herausforderung. Dieses Unternehmen hat eine Applikation entwickelt, welche durch Wassereinspritzung in den Ansaugtrakt des Motors den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig die Emissionen zu minimieren versucht. Diese Diplomarbeit beschreibt ein umfassendes Kraftstoff- und Emissionsmonitoring aus rein baubetrieblicher Sicht, wobei keine Analyse im Hinblick auf Motorentechnik bzw. Maschinenbau erfolgt. Dieses Monitoring wird bei einem Hydraulikraupenbagger und zwei Radladern durchgeführt, um eventuelle Verbesserungspotenziale durch die DROP-NOx-Applikation aufzuzeigen. Zusätzlich komplettiert ein Kraftstoffmonitoring bei zwei Lastkraftwagen und drei Kleintransportern das Untersuchungsprogramm. Der Untersuchungszeitraum von sieben Wochen unterteilt sich grundsätzlich in zwei Testperioden, jene ohne verbauter Applikation (drei Wochen) und jene mit verbauter DROP-NOx-Applikation (vier Wochen). Die Phasen ohne und mit verbauter DROPNOx- Applikation werden miteinander verglichen. Es soll geklärt werden, ob die Verwendung der DROP-NOx-Applikation zu einer Reduktion des Kraftstoffverbrauches und Emissionsausstoßes führt. Die grundsätzlichen Rahmenbedingungen zur Durchführung dieser Diplomarbeit sind von der Firma Swietelsky Bau Ges.m.b.H geschaffen worden. Zwei Areale, eines in Zwettl und eines in Traismauer, sind für das Kraftstoff- und Emissionsmonitoring der Radlader während des Betriebs zur Verfügung gestellt worden. Für diese Untersuchung ist zudem eigens ein Hydraulikraupenbagger angemietet worden, welcher ausschließlich vordefinierte Lastzyklen durchführt, um so möglichst repräsentative Ergebnisse ohne betriebsbedingte Abweichungen zu erhalten. Die Aufzeichnungsprotokolle zum Kraftstoffverbrauch sind für jede Fahrzeugkategorie einzeln erstellt worden. Diese Protokolle sind im Testbetrieb von den Maschinisten selbst ausgefüllt worden und dienen als Datenbasis für die Auswertung des Kraftstoffmonitorings. Das Emissionsmonitoring ist bei den Baumaschinen mit einem portablem Abgasmessgerät der Fa. Testo in regelmäßigen Abständen bei drei definierten Drehzahlen pro Baumaschine durchgeführt worden. Die erhaltenen Messdaten dienen als Datengrundlage für die Auswertung der Emissionen. Die Ergebnisse des Kraftstoffmonitorings zeigen Tendenzen zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs bei einem untersuchten Radlader und dem Raupenbagger auf. Die Aussagen zu den Lastkraftwagen und Kleintransportern können aufgrund vieler ungewisser Parameter als Grundlage für weitere Forschungen zur DROP-NOx-Applikation gesehen werden. Die Ergebnisse zum Emissionsmonitoring deuten auf eine teilweise starke Reduktion der gemessenen Schadstoffe hin. Eine Verifizierung der erhaltenen Messergebnisse am Rollenprüfstand ist sowohl beim Kraftstoffverbrauch als auch bei den Emissionen unumgänglich.

Pollutant emissions and the high fuel consumption of construction machines are a major challenge for the construction industry in times of increasingly stringent emission control directives and higher diesel prices. A reduction in pollutant emissions and fuel consumption is therefore inevitable. An Austrian start-up company named DROP-NOx taking up this challenge. This company has developed an application that attempts to save fuel and to minimize emissions by injecting water into the intake section of the engine. This diploma thesis describes comprehensive fuel and emission monitoring from a purely building perspective, with no analysis in terms of engine technology or mechanical engineering. This monitoring is carried out on a hydraulic excavator and two wheel loaders in order to show possible improvement potentials through the DROP-NOx-application. Additionally, a fuel monitoring system completes the inspection program for two trucks and three pick-ups. The examination period of seven weeks is divided into two test periods, those without the application (three weeks) and those with a built-in application (four weeks). The phases without and with built-in DROP-NOx-application are compared to each other. It needs to be clarified whether the use of the DROP-NOx-application leads to a reduction in fuel consumption and emissions. The basic framework conditions for carrying out this diploma thesis were provided by Swietelsky Bau Ges.m.b.H. Two areas, one in Zwettl and one in Traismauer were made available for the fuel and emission monitoring of the wheel loaders during operation. In addition, a hydraulic dredger was specially hired for this investigation, which exclusively performed predefined load cycles in order to obtain the most representative results possible without deviations from the operating conditions. The recording protocols for fuel consumption were compiled individually for each vehicle category. These protocols were completed by the machinists themselves in test operations and served as data basis for the evaluation of fuel monitoring. Emission monitoring was carried out on the construction machines with a portable exhaust gas meter from Testo at regular intervals at three defined cycle rotation per construction machine. The measured data obtained was used as data basis for the evaluation of the emissions. The results of the fuel monitoring show tendencies to reduce the fuel consumption in a tested wheel loader and the caterpillar excavator. The statements on trucks and pick-ups should be interpreted as a basis for further research on the DROP-NOx-application due to many uncertain parameters. The results for the emission monitoring indicate a partial strong reduction of the measured pollutants. A verification of the obtained test results at the dynamometer is indispensable both in terms of fuel consumption and emissions.