Мощность гибридных силовых установок: единого решения для всех не существует

Экологические проблемы и регламентирование содержания токсичных веществ в выхлопных газах двигателей по всему миру заставили производителей двигателей внутреннего сгорания ускорить разработку и внедрение электродвигателей и гибридных силовых установок. В попытках найти решение для выполнения установленных ограничений по выбросам и повышения производительности, производители быстро поняли, что единого технического решения, которое подходило бы для всех машин, не существует.

Несмотря растущее признание потенциала гибридных силовых установок, в отрасли еще остались те, кого нужно убеждать в том, что инвестиции в эту область принесут положительные результаты.

Что касается плюсов и минусов гибридных двигателей в строительном секторе, Стивен Нендик (Steven Nendick), директор по маркетингу и коммуникациям направления двигателей для внедорожной техники в компании Cummins, отметил: «Гибридные системы хорошо зарекомендовали себя в транспортных средствах: легковых автомобилях, автобусах и грузовых автомобилях, но в строительной отрасли этот вид силовых установок пока имеет незначительное влияние».

По мнению Стивена Нендика, ключевым преимуществом гибридных систем является возможность объединить в одной установке дизельный двигатель меньшей мощности и гибридный привод. Такая комбинация помогает уменьшить расход топлива, сократить затраты на обслуживание и снизить общие выбросы (NOx, твердых частиц и CO₂). Проблему составляют дополнительные затраты на технологию. Чтобы вернуть потраченные средства, нужен обоснованный анализ экономической эффективности использования такой системы. Использование гибридных систем на транспортных средствах в значительной степени субсидируется государством, но для других сфер применения аналогичной стратегии нет.

Базирующая в США компания-производитель силовых установок утверждает, что единого решения для глобального строительного сектора не существует. Линейка силовых установок компании Cummins включает полностью электрифицированные решения, суперчистые дизели и гибридные силовые установки. Стивен Нендик подчеркнул, что ежегодно компания инвестирует почти 1 млрд долларов США в расширение портфеля продукции.

Чтобы приобрести опыт в области аккумуляторных технологий, гибридных и электрических двигателей Cummins приобрела компании Brammo, Johnson Matthey Battery Systems и Efficient Drivetrains. Совсем недавно Cummins приобрела Hydrogenics и подписала соглашение с южнокорейской Hyundai Motors, чтобы изучить использование технологий топливных элементов.

«Гибридные решения предлагают преимущество рекуперации кинетической энергии, сопровождающей торможение (грузовиков-самосвалов или колесных одноковшовых погрузчиков) или движение кабины (экскаваторов), обеспечивая повышение эффективности работы оборудования», — говорит Стивен Нендик.

«Серия гибридный силовых установок Cummins создана на основе инновационной системы Hybrid Power Plug-in (HPP), которую компания продемонстрировала на международной выставке Bauma 2019. При выполнении задач в тяжелых условиях эксплуатации или при выполнении работ на площадке, где возможности зарядки электродвигателя ограничены, эти силовые установки имеют возможность переключения на работу от сверхчистого дизеля. Там, где установлены требования максимально низких выбросов токсичных веществ или низкого уровня шума, можно переключиться на работу от электродвигателя. Компания объединила дизельный двигатель Cummins Performance серии F3.8 эко-класса Stage V с аккумуляторной батареей и электродвигателем».

Строительная техника и концепция устойчивого развития

Один из ключевых вопросов заключается в том, для каких машин гибридные двигатели подходят больше всего? Стивен Нендик говорит, что это в значительной степени зависит от рабочего цикла машины. Мелкая техника с меньшим по продолжительности рабочим циклом позволяет электрифицировать машину, но современные аккумуляторные технологии и зарядная инфраструктура могут не подходить для машин, работающих в тяжелых условиях.

«Гибридизация» — это реальный способ преодолеть разрыв между полностью электрическими приводами и дизельными двигателями на больших машинах с высоким энергопотреблением, таких как экскаваторы и фронтальные погрузчики большого класса. Гибридизация предполагает сохранение высокой удельной мощности дизеля с возможностью работать от аккумуляторной батареи там, запрещены выбросы токсичных веществ. Таким же образом, гибридизация предлагает конечным пользователям гибкое решение в случае отсутствия на рабочей площадке инфраструктура зарядки».

Компания John Deere Power Systems (JDPS) является еще одной компанией-производителем, которая занимается гибридными решениями. Компания одной из первых внедрила технологию электропривода в строительных и карьерных фронтальных погрузчиках – в 2013 году компания выпустила гибридный фронтальный погрузчик 644K, а в 2015 году — гибридный фронтальный погрузчик 944K.

В этом году обе модели (644K и 944K) наработали совместно более одного миллиона рабочих часов в полевых условиях. JDPS заявила, что этот этап свидетельствует о том, что электрификация является не только «инновационной и эффективной», но и достаточно надежной, чтобы удовлетворить существующие потребности рынка внедорожной техники.

На выставке Bauma компанией JDPS были впервые представлены новые компоненты электрической силовой передачи, разработанные специально для удовлетворения «жестких требований» рынка внедорожной техники. Для управления компактными высокооборотными электродвигателями используется силовая электроника от John Deere Electronic Solutions. Компания заявила, что инновационные компоненты eMachine интегрированы в различные решения для приводов насосов и трансмиссий John Deere, формируя портфель гибких силовых передач.

Даррин Трептов (Darrin Treptow), менеджер по международной маркетинговой поддержке в компании JDPS, подчеркнул: «Мы знаем, что нужно, чтобы привести в действие внедорожную технику — дизельную, электрическую или гибридную — и мы использовали этот опыт для создания решений, соответствующих требованиям наших клиентов и потребностям бизнеса».

До конца этого года запланировано внедрение прототипа одноступенчатой трансмиссии и привода генератора для отдельных областей применения транспортных средств. Со следующего года будут доступны новые прототипы трехступенчатой трансмиссии для отдельных областей применения.

Альтернативные силовые установки

Базирующая в Германии компания-производитель различных типов двигателей Deutz представила на выставке Bauma новую линейку приводных систем с нулевым выбросом углерода для «внедорожной техники будущего». Теперь у компании есть все возможности, чтобы предложить клиентам в составе модульной системы индивидуальные комбинации двигателя, работающего на дизельном, газовом или водородном топливе, гибридной силовой установки и электроприводов.

Майкл Веллензон (Michael Wellenzohn), менеджер по продажам, обслуживанию и маркетингу в компании Deutz, говорит: «Работу над определением таких параметров, как КПД, эпюры нагрузок и показатели по уровню выбросов, мы начинаем с работы с нашими клиентами. После этого мы определяем оптимальную конфигурацию приводной системы в зависимости от конкретных требований. В результате может получиться двигатель внутреннего сгорания, работающий на различных видах топлива или гибридная силовая установка или даже электропривод. Мы считаем себя партнером в области разработок и интегратором систем для наших клиентов».

Наряду с электрифицированными решениями, приводные концепции Deutz включают «продвинутые» двигатели внутреннего сгорания, которые могут работать как углеродно-нейтральные, благодаря использованию водородного топлива или альтернативных видов топлива. Компания пояснила, что водородное топливо и синтетические виды топлива «e-Fuel» (синтетические виды топлива на основе возобновляемых источников электроэнергии) являются углеродно-нейтральными, поскольку они не являются источниками нового углерода, а используемые источники энергии являются природосберегающими.

Deutz заявила, что к 2022 году намерена достичь уменьшения выбросов на 1,74 млн. тонн CO₂ в год, что соответствует 5-10% выручки от продажи электрифицированных приводных систем.

Новые гибридные технологии

Следуя «гибридной» тенденции 2019 года, базирующаяся в Великобритании компания Perkins предложила новые гибридные технологии для трех из своих двигателей внутреннего сгорания, которые были адаптированы под специфические потребности строительных машин. Это предложение последовало за заявлением компании о том, что она осуществляет значительные инвестиции в разработку гибридных двигателей и исследования технологий электрификации.

Существующую линейку двигателей Perkins объемом от 0,5 до 18 литров дополняют гибридные электрические, гибридно-механические и гибридно-гидравлические технологии, которые, по словам компании, гарантируют ОЕМ-производителям и их клиентам высокую производительность машин, низкий уровень шума и низкий расход топлива.

Мэтт Коулман (Matt Coleman), директор по продукции Perkins, сказал: «Наши исследовательские программы по разработке силовых агрегатов будущего были сосредоточены на двух фундаментальных технологиях: создание аккумуляторов, которые будут устойчивы к внешним воздействиям, и способы интеграции систем. Мы являемся технологическим лидером, поэтому у нас есть все возможности, чтобы помочь нашим OEM-партнерам в создании машин будущего».

Чтобы обеспечить тесное взаимодействие по техническим вопросам, направленное на удовлетворение потребностей клиентов, Perkins создала специальную группу расширенных предложений (Expanded Offering Team).

Том Нанкервис (Tom Nankervis) из группы расширенных предложений Perkins объяснил: «Некоторые «гибриды» могут работать с нулевыми выбросами. Это может быть полезно в тех случаях, когда необходимо проехать через жилые кварталы, чтобы добраться до рабочей площадки. С гибридами можно также использовать двигатель меньшего объема, а это, в свою очередь, помогает снизить уровень шума вокруг рабочей площадки. В областях применения с существенными затратами на дизельное топливо, использование гибридов поможет снизить общий расход топлива до 20% в зависимости от применения».

Мэтт Коулман из Perkins подтвердил, анализ миллионов часов эксплуатационных данных машин показал, что рабочие циклы реальных строительных машин варьируются от одного применения к другому, а также с увеличением размера машины.

Perkins предлагает гибридно-электрические технологии в диапазоне мощностей от 6 до 470 кВт, удовлетворяющие требованиям экологических стандартов Stage V, принятых в ЕС.

Заглядывая в будущее «гибридов», Том Нанкервис прокомментировал: «Внедрение гибридов будет определяться экономикой. Мы можем видеть, что в некоторых специфических сегментах в основных областях применения происходит переход на гибриды. Это касается фронтальных погрузчиков, которые используются для погрузки или выгрузки сыпучих материалов, а также телескопических погрузчиков, перевозящие грузы от одной технологической операции к другой».

По мере того, как будут развиваться аккумуляторные технологии и улучшаться плотность электролита и емкость аккумуляторов, при условии, что стоимость продолжит снижаться, популярность гибридных решений для силовой передачи будет расти. Поскольку дизельные двигатели также становятся эффективнее, чище и мощнее, чем когда-либо прежде, те, кто выбирают силовой привод для своей техники, становятся все более избалованными широким выбором.

Передает Информационный портал Заполнители