Выгода из ниоткуда
Ни для кого не секрет, что современный цивилизованный мир уже давно стал на путь переработки и повторного использования большинства материалов, окружающих человека в повседневной жизни. Бережное отношение к ресурсам планеты – это, безусловно, неотъемлемая часть нашего будущего, которое позволит не только предотвратить истощение природных богатств и загрязнение окружающей среды, но и извлекать выгоду там, где раньше, наоборот, приходилось тратить.
Одну из многих частичек этой концепции представляют собой гибридные технологии, активно внедряемые сейчас в отрасли специальной техники, и в основной своей массе строящиеся по принципу захвата выделяемой при эксплуатации машин энергии и повторном ее использовании в производственных целях. Недавно представленные конструкции с реализованными гибридными системами позволяют увеличивать экономичность отдельных видов техники более чем на 20%, при этом абсолютно не снижая их производительности. Другими словами – без явных на первый взгляд компромиссов относительно наиболее важных характеристик мы получаем машины, в которых какие-либо потери энергии если и не отсутствуют вовсе, то уж точно доведены до некоего, актуального на данный момент минимума.
Экскаваторы и фронтальные погрузчики в силу своих некоторых конструктивных особенностей находятся на передовой этой гибридной революции. Компанию Komatsu в какой-то степени можно считать здесь пионером, поскольку именно она впервые представила гибридный экскаватор на рынке США, а в настоящее время уже предлагает второе поколение подобных машин – 23,8-тонную модель с индексом HB215LC-1. Не желая уступать японцам на родной территории, Caterpillar совсем недавно анонсировал свою собственную уникальную разработку, которая попала на рынок вместе с экскаватором Cat 336E H. Еще одну гибридную модификацию, «имя» которой ZH200, предлагает своим клиентам Hitachi, однако пока что только в пределах Японии. А вот что касается фронтальных погрузчиков, то здесь отметился John Deere, запустив в феврале 2013 года производство гибридной модели 644K Hybrid. Активно работает в этом направлении и концерн Liebherr, который на данный момент может похвастаться не только концептуальным экскаватором R 9XX, но и тяжелым краном HS 8300 HD, а также целым рядом перегружателей, использующих гибридные решения.
Подход каждого производителя разнится в зависимости от типа оборудования и того, как оно используется. В первую очередь, инженерам необходимо определить место или узел машины, где теряется много энергии. Например, в случае с экскаватором значительная часть передаваемой от двигателя мощности идет на ускорение поворота массы надстройки относительно шасси. Таким образом, ускорение и замедление поворотной платформы требует большой энергии, и цель гибридной технологии здесь – ее захват и возвращение обратно, в дальнейшее использование.
Цикличность – ключ к успеху
Гибридная технология особенно актуальна там, где необходимо выполнять большое количество повторяющихся операций. Продолжим рассматривать на примере экскаватора: чем больше и чаще вы будете разворачивать надстройку машины, тем выше потенциальная выгода от применения гибридных систем.
«Caterpillar 336H обеспечивает экономию топлива во всех приложениях, для которых он разрабатывался, однако наибольший эффект будет достигаться при объемных погрузочно-разгрузочных операциях и рытье траншей, где от машины требуется частая цикличность», – рассказал Кент Пеллегрини, специалист по применению продукции Cat. «Чем больше циклов или амплитуда поворота, тем больше возможностей для системы запасти, а затем повторно использовать энергию, что в свою очередь означает большую экономию и более быструю окупаемость для клиентов».
То же самое можно сказать и про гибрид от Komatsu. «Так как модель HB215LC-1 использует энергию, генерируемую при торможении поворотной платформы, то приложения с высокой цикличностью будут максимизировать эффект этой системы», – отмечает Брайан Юрескес, менеджер по маркетингу экскаваторов Komatsu America Corp.
Одним из распространенных заблуждений о гибридной технологии является утверждение, что меньшему расходу горючего приносится в жертву производительность. «Это не про экскаватор HB215LC-1, который характеризуется таким же высоким уровнем производительности, как и его обычный «коллега» PC200LC-8», – пояснил Юрескес. «В дополнение меньшему на 25-40% расходу топлива гибридная технология делает машину еще и экологически чистой, снижая выбросы CO и парниковых газов. Уровень шума также становится меньшим».
По словам Пеллегрини, модель Cat 336E H потребляет на 25% меньше горючего, чем стандартный 336E без каких-либо потерь в производительности. Топливная эффективность (количество горючего, затраченного на 1 тонну перемещенного материала) также улучшается: у гибридной версии она более чем на 50% превосходит аналогичный показатель экскаватора предыдущего поколения 336D. «Использование меньшего количества топлива для выполнения условной единицы работы приводит к снижению общих выбросов углекислого газа, а это уже выгодно всем нам», – подчеркивает он.
С гибридом Hitachi ZH200 примерно та же история: по сравнению со стандартным экскаватором ZX200-3 при той же производительности он имеет на 20% сокращенный расход горючего и эквивалентно меньшие выбросы CO.
Как это работает?
Как уже было сказано, «гибриды» захватывают так называемую «бесполезную» энергию, преобразуют ее, а затем высвобождают в нужное время для получения полезной работы. Структуру гибридной системы у экскаваторов Komatsu формирует несколько ключевых электрических компонентов. «Электродвигатель поворотной платформы, мотор-генератор и накопительный суперконденсатор – именно эти детали отличают модель HB215LC-1 от традиционного экскаватора», – говорит Юрескес. «При этом корпус, шасси, гидравлическая система и рабочее оборудование машины изменений не претерпевали».
Электродвигатель каждый раз при торможении опорно-поворотного устройства (ОПУ) захватывает высвобождающуюся энергию, которая после преобразования в электричество запасается в конденсаторе. Впоследствии эта энергия может либо возвращаться на этот же электродвигатель и ускорять ОПУ, либо использоваться для питания мотор-генератора, который в таком случае будет выступать обычным электродвигателем и «помогать» основному дизелю. Именно последняя особенность позволяет гибриду быстрее реагировать на изменяющиеся запросы гидравлики, что дает ему еще одно преимущество перед традиционными машинами.
Собственная логическая электронная система управления также способствует экономии топлива. Гибридные машины Komatsu имеют свой подход в регулировании оборотов двигателя. К примеру, скорость холостого хода, поддерживаемая на уровне 700 об/мин, обеспечивает более низкое потребление горючего между рабочими циклами, а дополнительная мощность от электродвигателя помогает основному мотору и насосам быстрее достигать необходимых оборотов при повышении запросов гидросистемы.
На обычном экскаваторе двигатель будет постоянно стремиться к выработке максимального крутящего момента, однако при наличии гибридной системы он станет разгоняться только до необходимой скорости, отвечающей текущему уровню нагрузки на рабочих органах. Отсюда вытекает еще одно преимущество – меньшая шумность. Благодаря электронному управлению скоростью и поддержке со стороны электродвигателя основной дизель меньше времени находится на высоких оборотах, делая машину более тихой в эксплуатации.
Экскаватор Hitachi ZH200 также использует гидравлический/электрический мотор ОПУ для генерации энергии от торможения надстройки. Далее электричество запасается в конденсаторе, находящемся вдоль охлаждающего блока машины, и затем либо направляется обратно на электродвигатель ОПУ, помогая ускорять поворот платформы, либо питает вспомогательный гидравлический мотор, который работает в паре с основным дизелем и приводит в действие гидронасосы системы.
Совсем другой подход применил Caterpillar: для захвата энергии от торможения платформы на модели Cat 336E H используется не электрический, а гидравлический аккумулятор, причем более крупного размера, располагающийся под капотом между двигателем и противовесом. При торможении надстройки рабочая жидкость внутри аккумулятора сжимается, и далее, при движении платформы назад, соответственно разжимается, высвобождая тем самым запасенную энергию для ускорения ОПУ уже в обратном направлении.
Гибридная версия имеет все преимущества обычного экскаватора 336E, при этом особенно отличаясь своей топливной эффективностью. Ее конструкция включает в себя три основных технологических блока.
Первый – это электронный стандартизованный программируемый насос (EPS), который использует энергию от различных источников, плавно переключаясь между гидравлической гибридной системой, двигателем и аккумулятором, и позволяя тем самым «разумно» расходовать мощность основного дизеля.
Второй блок – клапан системы адаптивного управления (ACS) – интеллектуально управляет ограничениями и гидравлическими потоками в системе, следя за тем, чтобы все движения машины происходили без потерь мощности. При этом он принимает энергию, уходящую на традиционных экскаваторах через предохранительные клапана (в случаях превышения допустимого давления), и направляет ее в контуры, которые немедленно используют эту мощность. Таким образом, система ACS снижает расход топлива путем минимизации потерь давления.
Третьим узлом выступает непосредственно гибридная гидравлическая система, захватывающая энергию торможения надстройки и высвобождающая ее при повторном ускорении ОПУ. Подобная схема позволяет модели Cat 336E H также постоянно работать на пониженных оборотах двигателя, что выливается в меньший расход горючего и уровень шумности как внутри, так и снаружи кабины.
Фронтальный погрузчик John Deere 644K Hybrid использует еще одну вариацию гибридной технологии. Его дизельный двигатель постоянно находится на одних и тех же оборотах, превращаясь, по сути, в электрогенератор. «Эта машина по сравнению с нашей базовой моделью 644K, оснащается меньшим двигателем с рабочим объемом 6,8 литра», – поясняет менеджер по фронтальным погрузчикам John Deere Джон Честерман. «299 л.с. против 332 л.с. на традиционной версии. При этом этот мотор работает на постоянной скорости в 1 800 об/мин, в то время как дизель обычного погрузчика разгоняется до 2 250 – 2 350 об/мин. В результате достигается более эффективная эксплуатация с точки зрения кривой КПД».
Однако это лишь одно из многочисленных преимуществ. «Прежде всего, двигатель всегда «разогрет» и мы не беспокоимся за отклик машины – в нашем распоряжении есть вся мощность трансмиссии», – говорит Честерман. «Постоянная скорость двигателя обеспечивает и постоянные обороты гидронасоса, поэтому максимальная подача и мощность гидравлики доступны в любой момент времени».
«Двигатели, эксплуатирующиеся на постоянной скорости в режиме генератора, имеют гораздо более продолжительный срок службы, нежели моторы, которые для обеспечения необходимой мощности работают на всем диапазоне оборотов», – добавляет Честерман. «Кроме того, из-за пониженных оборотов снижается и шум. Шумность этих машин равна 68 дБ, что на полных 2 дБ ниже, чем у базовой модели. Для сравнения, в мире звука уменьшение на 3 дБ приравнивается к сокращению звукового давления на 50%».
Фирменная силовая электронная система, разработанная подразделением John Deere Electronic Solutions, является мозгом всей гибридной системы указанного погрузчика. Она сопряжена с электромотором тремя силовыми кабелями. «Вся мощь, передаваемая на колеса, проходит через эти кабеля».
Электродвигатель приводит в действие упрощенную трехскоростную коробку передач, хотя в целом в системе доступно по четыре рабочих диапазона скорости как вперед, так и назад. Если говорить о базовой модели 644K, то там трансмиссия имеет четыре/пять передних скоростей, и три задних. На гибриде же задние передачи не нужны вовсе. «Электродвигатель одинаково работает как вперед, так и назад», – поясняет Честерман. «В обычном погрузчике для изменения направления вам необходимо переключать передачи, однако на гибридной версии эта необходимость устранена простым реверсированием мотора. Это обеспечивает и плавность переключения, и мощность одновременно».
Электрическая система также позволяет захватывать часть энергии, которая в обычных случаях рассеивается. «Если вы отпускаете педаль газа и машина начинает замедляться, то, фактически, мотор переходит в обратное положение», – поясняет Честерман. «В этом случае он действует уже как генератор, а выработанная таким образом энергия снимает с него часть нагрузки и снижает тем самым расход топлива. Это особенно актуально при частых цикличных погрузочных операциях, когда оператор, подъезжая к насыпи, замедляет и реверсирует мотор, и в то же время поднимает стрелу. На традиционных погрузчиках энергия замедления рассеивается в виде тепла на тормозных дисках, однако на 644K Hybrid она служит в качестве помощи двигателю при выработке необходимой мощности для гидросистемы во время подъема ковша».
Здесь стоит отметить, что в подобной схеме не предусмотрено наличие какого-либо устройства запасания/хранения энергии, которое уже привычно ассоциируется со словом «гибрид». «Любая избыточная электроэнергия уходит в тормозной резистор», – говорит Честерман. «Этот резистор является своего рода ограничителем, не позволяющим мотору переходить на повышенные обороты».
Как и все вышеописанные гибридные модели, фронтальный погрузчик 644K Hybrid абсолютно не уступает в производительности своим обычным коллегам. В то же время клиенты могут рассчитывать в среднем на 25-процентное снижение расхода топлива. «Эта цифра подразумевает несколько видов работ – перемещение, складирование, а также погрузка самосвалов. Однако если машина будет задействована преимущественно в последнем, то можно ожидать даже превышения заявленной экономичности. С практической точки зрения гибридная версия не предназначена для чего-либо такого, чего не может сделать обычный 644K», – отмечает представитель Deere.
Еще одно преимущество нетрадиционного погрузчика – им проще управлять. «Управление обычной машиной может представлять некую сложность для начинающих водителей, поскольку для эффективной загрузки ковша оператор должен постоянно чувствовать обороты двигателя, от которых зависит толкающее усилие и гидравлический поток. Поскольку 644K Hybrid работает на постоянной скорости, оператор всегда имеет полный ресурс трансмиссии и гидравлики. Это реально помогает новичкам делать работу более продуктивно», – подчеркнул Честерман.
При этом стоит отметить, что гибридная версия использует большинство компонентов традиционного 644. Например, рама практически не претерпевала изменений, а оси и тормоза вообще идентичны. Небольшие изменения коснулись только противовеса, однако это обусловлено тем, что базовая модель производится в нескольких конфигурациях в зависимости от заявленного экостандарта, включая Stage II, Tier 3, Tier 4-Interim.
Остается лишь один вопрос: будет ли подобная концепция использована и на других погрузчиках в линейке John Deere. Отвечая на него, Джон Честерман пояснил, что в целом разработанная технология является гибкой и масштабируемой, а посему вполне может найти применение и на других моделях. Однако все зависит от правильного подхода и соответствия поставленным задачам, ведь гибридный аналог, как известно, стоит дороже и окупается в течение нескольких лет. «Мы собираемся применять правильную технологию на подходящей для этого машине», – резюмировал он.
Оценка методов
Подводя итоги, вернемся к экскаваторам. Итак, в настоящее время существует два пути захвата энергии торможения надстройки: электрический с использованием конденсатора, и гидравлический – с соответствующим аккумулятором. На японских гибридах Komatsu и Hitachi применены конденсаторы, тогда как Caterpillar решил остановиться на гидравлическом методе.
Электрические гибридные решения, адаптированные на экскаваторах, имеют мало общего с автомобильными гибридными технологиями. «Специфика работы строительной техники сыграла огромную роль в развитии электрического гибрида», – отмечает Юрескес. «Строительные приложения отличаются от автомобильных тем, что здесь значительно меньше времени для захвата и перевода энергии в пригодную для использования работу».
Чтобы это проиллюстрировать, возьмем, к примеру, самый основной вариант – поворот платформы на 90 градусов:
– Начало поворота (ускорение) – порядка 40 градусов;
– Поворот по инерции (накат) – порядка 30 градусов;
– Процесс торможения – около 20 градусов.
«Даже при увеличенном развороте надстройки (более 90 градусов), угол торможения, а, следовательно и окно захвата энергии, по-прежнему будет занимать небольшую часть рабочего цикла», – добавляет Юрескес. «В автомобильной отрасли ситуация противоположная: там могут использоваться батареи, поскольку время, затрачиваемое на разгон с места остановки, составляет всего несколько секунд. То есть у батарей всегда есть время для преобразования химических веществ в электричество».
Необходимое для строительной отрасли решение обеспечивают конденсаторы. «У конденсатора есть способность очень быстро захватывать энергию, поэтому электричество, генерируемое в тот небольшой промежуток торможения, может быть захвачено и запасено. Из-за размеров машины для быстрого замедления ее верхней части требуется много энергии, и это большое усилие непосредственно связано с количеством потенциально запасенной энергии. Конденсатор же позволяет экскаватору преобразовывать и применять эту энергию практически мгновенно».
Однако Caterpillar, оценив и электрический, и гидравлический варианты, решил пойти иным путем. «Мы рассмотрели как электрическую, так и гидравлическую концепцию, создали оба прототипа и протестировали их вместе с аналогичными моделями», – пояснил Пеллегрини. «В итоге мы пришли к выводу, что самое эффективное, технически наименее сложное и, как следствие, наиболее простое в обслуживании – это гидравлическое гибридное решение».
Использование такого подхода позволило достичь минимальной разницы с производственной точки зрения между Cat 336E H и традиционным 336E. «Около 98% гибридного экскаватора сделано из тех же, уже проверенных и надежных компонентов, что и базовый 336E. И это дает нам экономию в плане масштабирования и гибкости данной технологии».
Тот факт, что Cat вышел на рынок гибридов значительно позднее Komatsu, еще больше добавляет изюминки и интриги в эту «борьбу технологий». Само же развитие гибридной концепции, подкрепляемое новыми представителями в этой нише и соответственно их идеями, как видно, не останавливается ни на секунду и, вполне возможно, не за горами нас ждет здесь новый качественный скачок.
