Гибридные силовые агрегаты: лавинообразный процесс освоения

Будущее совершенство техники строительного, коммунального и других сфер применения уже просматривается в деталях и компонентах. А её совершенствование, в данном случае с участием гибридных силовых агрегатов (ГСА), – это достижение максимальной эффективности работы механизмов при использовании минимальных объёмов топлива с предельной минимизацией отрицательного их воздействия на окружающую среду.

Остановимся на основных конструктивных особенностях силовых агрегатов, используемых при комплектации данного рода машин для тяжёлых условий эксплуатации.

Крутящим моментом от электродвигателя

Работоспособные гибридные силовые агрегаты появились намного позднее обычных дизель-генераторных установок для выработки электрического тока и питания им карьерных экскаваторов и самосвалов, а также многочисленных механизмов дизель-электрических кранов. Широкое распространение дизель-электрических агрегатов (ДЭА) было связано с желанием разработчиков максимально сократить перечень трущихся деталей, а также существенно повысить надёжность и безопасность работы механизмов. В частности, тем самым была практически исключена возможность отказа постоянно-замкнутых тормозов.

А если каждый механизм получает отдельный электропривод, появляется возможность совмещения операций. То есть одновременно и независимо друг от друга выполнять, например, подъём груза, поворот платформы и изменение вылета стрелы.

Особенностью машин с такими электроприводами является также возможность их питания от внешней энергосети. При этом следует признать, что ранние конструкции дизель-электрических установок – это, как оказалось, необходимое эволюционное звено перед вступлением человечества в эру экономичных и зелёных ГСА. А основным отличием последних стало использование ёмких аккумуляторных батарей и т. н. «суперконденсаторов», которые позволяют работать дизелям в более щадящем режиме средней мощности. Тем самым продлевая их экологически чистый срок эксплуатации, соответствующий первоначально заданному производителями уровню Stage или Euro. Кроме того, у такого двигателя внутреннего сгорания не падает к. п. д. в условиях неполной загрузки.

Однако гибридными также могут быть системы, которые извлекают энергию из регенеративного (рекуперативного) торможения. Речь идёт о таком виде электрического торможения, при котором энергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями, работающими в генераторном режиме, возвращается в электрическую сеть.

Система исключения холостых оборотов

Одним из ранних подходов к снижению расхода топлива, в первую очередь, горных машин стала т. н. «система управления холостыми оборотами» (Engine Idle management System – EIMS), разработанная компанией Caterpillar и применяемая на колёсных фронтальных погрузчиках Cat серии H. Подсчитав, что 40% времени двигатель погрузчика работает на холостых оборотах, а сама машина простаивает в ожидании, американские специалисты при помощи EIMS добились снижения расхода топлива, которое в итоге выливалось в тысячи долларов, сэкономленных в течение года.

Та же энергетическая система была установлена и на дизель-электрический вариант популярной модели бульдозера Cat D7E, который приводится в движение электродвигателями переменного тока. У этой гусеничной машины генератор приводит в действие два приводных электродвигателя переменного тока, соединенных с дифференциалом поворота. Применённая схема трансмиссии исключает необходимость в традиционной механической коробке передач, поскольку электродвигатели с регулируемой частотой вращения обеспечивают бесступенчатое изменение передаточного числа.

Электрическая система также обеспечивает подачу энергии к вспомогательному оборудованию без использования ременных передач. К тому же, она содержит на 60% меньше подвижных частей по сравнению с передачами, использовавшимися при сборке обычного трактора D7. В совокупности это позволяет экономить топливо на 10-30% и существенно сокращает ремонтные расходы в течение срока службы машины. «Кусается» лишь цена нового изделия – она почти на 20% выше обычного Cat D7. Тем не менее, аналогичная силовая схема используется теперь и в широко известных карьерных самосвалах Caterpillar с электрическим мотор-колёсным принципом передачи усилий ДВС. В ближайшее время готовится появление на рынке промышленного трактора John Deere с гибридным силовым агрегатом на переменном токе.

Стартер-генераторное усиление крутящего момента

Известный шведский моторостроитель и производитель строительной и дорожно-строительной техники – корпорация Volvo CE – в тесном взаимодействии с Volvo Technology и Volvo Powertrain также стала одним из первых разработчиков колёсных фронтальных погрузчиков с гибридным дизель-электрическим приводом – L220F и L240F Hybrid, ориентируясь в первую очередь на рынок США. Основой гибридного агрегата является интегрированный стартер-генератор (ISG), который устанавливается между дизельным двигателем Volvo D12 и электротрансмиссией. Стартер-генератор подсоединяется к современной, очень ёмкой батарее, мощность которой во много раз превышает аналогичный показатель обычного свинцово-кислотного аккумулятора.

При этом стартерная функция ISG выполняет задачу запуска дизельного двигателя, раскручивая коленчатый вал, вернее, маховик ДВС до частоты вращения и накапливая тем самым механическую энергию, необходимую для запуска двигателя. Т. е. по сути, выполняет «обязанности» электрического инерционного стартера, который имеет в своём составе электродвигатель, редуктор, устройства сцепления и расцепления коленвала ДВС с маховиком.

Стартер-генератор позволяет дизелю автоматически выключаться при отсутствии необходимости поддержания движения, «положившись» на прилив энергии от мощной батареи, а затем, почти мгновенно, перезапускаться за счёт быстрого вращения маховика и подключённого к нему коленчатого вала и выходить на требуемые обороты, соответствующие оптимальной угловой рабочей скорости. Эта скорость преобразуется в требуемую скорость движения фронтального погрузчика или в угловую скорость вращения лопаток гидромотора, приводящего в действие стрелу с ковшом или другим сменным рабочим оборудованием.

Это даёт огромное преимущество, так как до 40% рабочего времени погрузчик работает на электротяге. Причём, без участия в этом процессе какого-либо гидротрансформатора, автоматической коробки передач, раздаточной коробки и приводных валов.

Генератор также решает традиционную проблему дизельного двигателя, которая заключается в низком крутящем моменте при малой частоте вращения коленвала. Интегрированный стартер-генератор при необходимости автоматически создаёт сильное электрическое усиление крутящего момента – электродвигатель в состоянии обеспечить крутящий момент до 700 Нм (!) непосредственно из неподвижного состояния. То есть, если говорить о мощности обычного дизельного двигателя, генераторная часть ISG выдаёт фронтальному погрузчику до 50 дополнительных кВт. В результате машина с ГСА стала гораздо более мощной и быстрореагирующей на внешние воздействия.

В 2010-м на различных выставках был показан «свежий» фронтальный погрузчик Kawasaki 65Z Hybrid, также рассчитанный больше на североамериканский рынок. Производитель спроектировал машину, существенно снижающую расход топлива, причём без ущерба для её производительности. В конструкции Kawasaki 65Z отсутствует громоздкий маслонаполненный гидротрансформатор. Благодаря использованию гибридной системы преобразования крутящего момента (HYTCs), погрузчик не только экономит энергию, но и восстанавливает её запасы во время холостого хода и торможения. Механическая энергия превращается в электрическую и затем хранится в конденсаторе, характеризующемся практически мгновенным зарядом и разрядом. Запасённая энергия затем используется, чтобы помочь дизелю, который, в результате, может оказаться меньшей мощности, тем самым ещё больше снижая расход топлива.

Японская корпорация Toyota Industries, имеющая большой опыт не только в производстве дизельных складских погрузчиков, но и «в гибридизации» легковых автомобилей, объявила о выпуске первого вилочного погрузчика с гибридным силовым агрегатом Geneo-Hybrid грузоподъёмностью 3,5 т. В силовой агрегат входит дизель объёмом 2,5 л, сопряжённый с электродвигателем и никель-гибридной аккумуляторной батареей. Кроме того, в этой машине сосуществуют две гибридные подсистемы: последовательная гибридная подсистема привода колёс (Series Hybrid System) и параллельная гибридная подсистема грузоподъёмного механизма (Parallel Hybrid System).

Вилочный погрузчик Toyota Geneo-Hybrid отличается пониженным расходом топлива и уменьшенными на 50% выбросами углекислого газа, что очень важно при работе в помещении.

Конденсация электро- и пневмоэнергии, уменьшение мощности ДВС

Ещё одна японская компания – Komatsu – запустила в продажу первый в мире гусеничный экскаватор для стройплощадок с гибридным приводом. В 2009 г. компания начала продажи PC200-8 E0 Hybrid в Китае и Северной Америке. В настоящее время продано более 650 единиц. В 2011 году все накопленные за период эксплуатации гибридных машин ноу-хау и технологии корпорация Komatsu вложила в усовершенствование экскаваторов и представила две обновлённые версии с более зелёными 104-киловаттными двигателями SAA4D107E-1: HB205 (19,8 т) и HB215LC (21,2 т), конструктивно различающимися лишь шириной (2,8 и 3,08 м соответственно). Наряду с более экономным расходом топлива и уменьшенным выбросом вредных веществ в атмосферу, эти экскаваторы обладают улучшенной ремонтопригодностью за счёт использования новых гибридных элементов. Производители Страны восходящего солнца выбрали конденсатор для накопления энергии вместо аккумуляторной батареи, а у стрелы и ковша имеется отдельный электропривод. Энергия в конденсаторе восстанавливается в период снижения производительности работы машины. В дальнейшем Komatsu планирует ещё больше расширить области применения гибридных технологий и распространить их на другую строительную технику.

Группа компаний Liebherr также не отстаёт в этом направлении. Она представила первую свою гидравлическую систему гибридного привода для мобильных портовых кранов LHM 550. Новая система Pactronic® увеличила скорость перевалки и одновременно уменьшила расход топлива. Отличительной особенностью этой системы является дополнительный накопитель энергии – ресивер, который позволяет для подъёма груза использовать как регенерированную во время его опускания энергию, так и избыточную энергию, выработанную силовым агрегатом. Энергия аккумулируется в виде сжатого азота, а при его расширении подаётся в систему привода гидравлики. Система практически не требует ТО, при этом визуальная инспекция должна проводиться не чаще одного раза в 10 лет (!). Накопителем энергии выступает азот, который абсолютно безвреден.

Система Pactronic® от Liebherr наиболее эффективна при работе привода на предельных мощностях, как это часто бывает при обработке навалочных грузов (стальных чушек, связок арматурной стали и др.). Если для подъёма необходима дополнительная энергия, система Pactronic® сразу же направляет сохранённую в аккумуляторе энергию в систему и таким образом увеличивает подъёмную мощность крана. По сравнению со стандартным мобильным портовым краном, кран Liebherr с гибридным приводом использует примерно на 30% меньше топлива.

В компании Liebherr планируют к 2013 году, после проведения поэтапной адаптации, устанавливать систему Pactronic® на весь модельный ряд мобильных портовых кранов.

Суперконденсаторы, литые медные роторы, рекуперация торможения

Новые технологии используются и в военных ведомствах. В рамках правительственной программы в США сконструировали комбинированную силовую установку ProPulse для автотранспортных средств (самосвалов, тягачей, грузовиков и др.). Она имеет ряд версий в широком диапазоне грузоподъёмности и весьма активно идёт на комплектацию грузовых автомобилей марки Oshkosh и Navistar International. В отличие от ранее рассмотренных гибридных приводов в данную систему входят электродвигатели для каждой из четырёх осей.

После установки системы на военный автомобиль Oshkosh Defense HEMTT A3 Diesel Electric, он остаётся функциональным и способен перевозить груз. В комплектацию грузовика входит бортовой компьютер с множеством периферийных датчиков, позволяющих диагностировать и прогнозировать поведение составных частей гибридного силового агрегата, включая состояние мостов, системы охлаждения и схемы крепления грузов. Электродвигатели асинхронного типа снабжены литыми медными роторами, которые развивают мощность до 104 кВт. Дизель используется как для непосредственного движения по дороге транспортного средства, так и для накопления энергии с помощью генератора мощностью 335 кВт и специальных суперконденсаторов. Попеременная работа ДВС и электродвигателей увеличивает их жизненный цикл и снижает негативное воздействие выбросов отработанных газов и шума на окружающую среду. Генератор, кстати, настолько силён и надёжен в эксплуатации, что используется для обеспечения потребностей в электроэнергии полевых госпиталей и пунктов управления. Производителем электроприводов является компания Reliance Electric – по сути, дивизион авиакорпорации Rockwell Automation. А технология литья медных роторов, которые немного утяжелили ходовые электродвигатели, стала компромиссом между массой, габаритами и производительностью гибридной установки. Медь в роторе проявляет себя более эффективно, нежели традиционные сорта алюминия. Поскольку она является лучшим проводником электричества и имеет меньшее внутреннее сопротивление. Да и охлаждается она быстрее и до более низких температур.

Для накопления и хранения энергии системой ProPulse учёные из Вустеровского политехнического и Массачусетского технологических институтов предложили разработанные ими суперконденсаторы, которые быстрее накапливают и сбрасывают электроэнергию. Силовая установка предусматривает также рекуперативное торможение, при котором регенеративная система использует тяговые электродвигатели в качестве источников электроэнергии во время торможения ТС для её хранения в конденсаторном накопителе и последующего использования во время ускорения или преодоления препятствия. Одновременно рекуперация позволяет снизить степень износа тормозной системы.

Впрочем, из общих объёмов поставок техники, машины с гибридными силовыми агрегатами составляют пока незначительный процент. Видно, цена пока ещё сильно «кусается». Да и готовность технических центров и сервисных предприятий для проведения обслуживания и ремонта гибридной техники наверняка пока недостаточна.

Владимир Вдовенко