Монітори дорожніх транспортних засобів все частіше стикаються з якоюсь формою гібридного електричного рушія для легкових автомобілів та комерційних автомобілів. Режими електричного гібридного приводу можна розділити на такі основні групи: чисто електричні; гібриди; і паливний елемент. Що стосується сільськогосподарських тракторів та техніки, також підвищується можливість використання електроприводу. Найближчим часом очікується широкомасштабне впровадження дизель-електричних гібридних тракторів.
Використання звичайних видів палива, отриманих з нафти (бензин, дизель), для керування транспортними засобами буде важким через 40-60 років. Запаси нафти будуть вичерпані, і саме тому людство шукає нові енергетичні можливості для руху транспортних засобів. Різноманітність альтернативних рішень характеризуватиме наступний період. У випадку сільськогосподарських силових машин також починається пошук майбутніх рішень. Найближчим часом використання електричних гібридних приводних систем також з’явиться у випадку тракторів та сільськогосподарської техніки. Режими електричного гібридного приводу можна розділити на такі основні групи: чисто електричні; гібриди; і паливний елемент. Що стосується тракторів, то найближчим часом очікується широкомасштабне розповсюдження гібридних приводів з метою зменшення використання звичайних ракетних палив.
Чистий електропривод
Чистий електричний привід тракторів вперше відбувся в 1930-х роках в Радянському Союзі в рамках головного плану електрифікації. Суть цього рішення полягала в тому, що великі площі сільськогосподарського виробництва були щільно забезпечені мережею ліній електропередачі, а трактор, керований електродвигуном, стікав вниз і накручував сотні метрів кабелю від кабельного барабана на трактор. Висока вартість побудови мережі та обмежена рухливість трактора дозволили цьому радянському рішенню провалитися.
У наш час у сільському господарстві чисто електричний привід використовується лише для невеликих транспортних засобів, в яких електродвигун, що приводить в рух рушій, живиться від енергії, отриманої від акумулятора, зарядженого від мережі. Перевагою цього рішення є чиста, безшумна робота без бензину або дизеля. Як приклад, на малюнку 1 показаний універсальний електричний автомобіль John Deere GATOR-TE 4 × 2 Electric. Задні колеса цього автомобіля живляться від електричного двигуна постійного струму потужністю 4,6 кВт, що живиться від акумулятора на 48 В, через механічну безступінчасту передачу. Автомобіль має максимальну швидкість руху вперед 25 км/год і 15 км/год назад. Універсальний транспорт GATOR-TE вагою 227 кг можна добре використовувати у тваринницьких фермах, складах та будівлях. За допомогою високопродуктивного акумуляторного блоку його можна використовувати весь день. Повністю розряджені акумулятори (8 Trojan 105) можна зарядити від мережі за 12 годин.
Зображення 1: John Deere GATOR-TE 4 × 2 Електричний універсальний автомобіль
Чистий електричний привід угорського сільськогосподарського енергетичного парку важко вирішити не тільки через акумуляторну батарею для зберігання електроенергії, але, крім іншого, тому, що експлуатаційна потужність угорського тракторного парку вимагає бл. знадобиться дві з половиною АЕС. Тим не менш, невеликі електричні трактори та навантажувачі з чистою електроенергією вже можна використовувати з перевагою у великих робочих та тваринницьких фермах.
Гібридний привід
Назва гібридний привід зазвичай використовується, коли для базової роботи автомобіля використовується більше одного типу енергії. Гібридні трактори здавна існують у сільському господарстві, оскільки, крім механічної системи, для керування трактором та обслуговування обладнання часто використовується гідравлічна передача енергії. До групи гібридних тракторів сьогодні входять машини з дизель-електричною системою. Ці тракторні приводи можна розділити на дві великі групи, такі як послідовний та паралельний гібридні приводи.
Серійний гібридний привід
Для сільського господарства, поки доступний дизель, найбільш очевидним рушійним рішенням є використання дизельно-електричного рядного гібридного двигуна. У цьому рішенні (рис. 1) дизельний двигун приводить у рух лише електричний генератор, а електричний двигун, що використовується на колесі, рухає трактор або мобільну сільськогосподарську машину з генерованою електроенергією.
Рисунок 1: Схема дизель-електричного послідовного гібридного приводу
Перевагою дизель-електричного приводу є те, що агрегат дизельного двигуна-генератора може працювати в області найкращої ефективності, приводний ланцюг складається з простої лінії електропередач та керуючої електроніки. За допомогою керування електродвигунами можна досягти безступінчастої зміни передач, а також легко спроектувати привід чотирьох незалежних колісних підвісних коліс і всі способи керування трактором.
Є кілька прикладів високоефективного та простого дизель-електричного гібридного двигуна серії. До категорії низькопродуктивних універсальних тракторів належить, наприклад, дизель-електричний рядний гібридний сільськогосподарський трактор “RIGITRAC EWD 120”, показаний на малюнку 2. Дизельний двигун потужністю 91 кВт, гідравлічна система та генератор змінного струму потужністю 85 кВт.
Рисунок 2: Гібридний трактор серії Rigitrac EWD 120
Компанія Schweizer Traktorenherstellers Sepp Knüsel, невеликий сімейний бізнес у Швейцарії, щороку виробляє кілька десятків одиниць гібридного трактора із серійним приводом. Цей повнопривідний, повнопривідний трактор оснащений електродвигунами з концентратором змінного струму потужністю 4 33 кВт. Структура передачі потужності трактора проілюстрована на малюнку 2. Колеса з незалежною підвіскою (рис. 3) мають гідропневматичну підвіску, швидкість трактора - 0-65 км/год.
Рисунок 2: Схема передачі потужності трактора EWD 120
Малюнок 3: Колесо незалежної підвіски колеса трактора EWD 120
Відомий Білоруський завод тракторів в Угорщині виробляє середньоважкий універсальний дизель-електричний гібридний трактор із позначенням типу “МТЗ 3023” (рис. 4). Повнопривідний трактор має дизельний двигун потужністю 220 кВт та електричний генератор потужністю 172 кВт. Гідравлічна система трактора працює на 48 кВт. Трактор використовує сучасну керуючу електроніку, щоб забезпечити загальну ефективність та зменшити споживання палива.
Малюнок 4: Універсальний гібридний трактор типу МТЗ 3023 потужністю 220 кВт
У 2010 році американський завод Caterpillar випустив перший у світі гібридний бульдозер, що працює від змінного струму. Конструкція та ефективність дизель-електричного рядного гібридного бульдозера Caterpillar D7E потужністю 173 кВт (235 к.с.) проілюстрована на малюнку 3. Цей режим руху також застосовуватиметься для важких гусеничних тракторів. Рисунок 3: Дизель-електричний гібридний бульдозер Caterpillar D7E
Паралельний гібридний привід
У випадку паралельного гібридного трактора дизельний двигун приводить трактор в рух механічно, але приводний ланцюг також живиться від електроприводу або забезпечує електроенергією мобільний фермерський пристрій.
Фронтальний навантажувач Volvo Hybrid L220F був представлений в 2007 році. Машина має повністю паралельний гібридний привід, оскільки електроенергія, що зберігається в акумуляторі, використовується генератором-електродвигуном як допоміжний привід. Це дозволяє значно збільшити крутний момент дизельного двигуна в діапазоні низьких оборотів (рисунок 4). При низькому навантаженні генератор заряджає акумулятор. Підвищена продуктивність та нижчий споживання пального на 10% показують життєздатність таких гібридних систем.
Малюнок 4: Фронтальний навантажувач Volvo Hybrid L220F з дизелем потужністю 259 кВт та електродвигуном потужністю 50 кВт
У 2007 році John Deere представив два спеціальні (7030E, 6210 RE) трактори преміум-класу з паралельним мікрогібридним приводом на виставці Agritechnica в Ганновері. Мікрогібрид 6210 RE, який є частиною успішного сімейства John Deere 6R, також доступний у Європі. Загальною особливістю цих типів тракторів є те, що електроенергія, що подається від електрогенератора, розташованого після дизельного двигуна, працює, серед іншого, вентилятором охолодження дизельного двигуна, приводом водяного насоса, обладнанням кондиціонера каюта.
Справжньою новинкою цього мікрогібридного приводу є те, що наявні 20 кВт електроенергії можуть бути використані для приводу в експлуатацію (рис. 5). Значення напруги трактора складають 12 В або 24 В постійного струму, 230 та 400 В змінного струму для високовольтних 7030E та 110 та 230 В змінного струму для європейської версії 6210 RE.
Малюнок 5: Мікрогібридний трактор John Deere 6210 RE з електричним розкидачем добрив Rauch Axis EDR
Телескопічний стріловий навантажувач з гібридним приводом Merlo Turbofarmer 40.7 - перша універсальна силова установка на гібридному двигуні. Ця машина також може експлуатуватися з чисто електричним або дизель-електричним паралельним гібридним приводом. Машину, призначену для завантаження, можна використовувати для сільськогосподарських робіт, навіть оранки. Працює в чисто електричному режимі з літієвою батареєю на 30 кВт-год, яку також можна заряджати від електромережі (рис. 6).
Малюнок 6: Гібридна універсальна силова установка Merlo Turbofarmer 40.7
У паралельному гібридному режимі машина працює від 4-циліндрового дизельного двигуна потужністю 55 кВт, який одночасно безперервно заряджає акумулятор. Як навантажувач, він може експлуатуватися у закритому приміщенні лише в електричному режимі (наприклад, на тваринницькій фермі) без забруднення повітря. Також можна перейти на чисто електричний привід в режимах холостого ходу. У гібридному режимі номінальну потужність 100 кВт дизельного двигуна можна зменшити вдвічі - без обмеження потужності навантаження - при значній економії дизеля.
Електрифікація сільськогосподарських силових машин підтримується, наприклад, новою електричною системою генератора потужністю 70 кВт, встановленою в коробці передач трактора ZF-TERRA + (рис. 5). За допомогою цієї системи можна легко спроектувати паралельний гібридний привід трактора та реалізувати живлення навісного обладнання.
Малюнок 5: Паралельний гібридний трактор можна легко спроектувати за допомогою системи ZF-TERRA +
Електропостачання мобільної сільськогосподарської техніки
Електроенергія необхідна для роботи нового покоління мобільних сільськогосподарських машин. Більшість дизель-електричних гібридних тракторів можуть задовольнити потреби в енергетичному обслуговуванні. Якщо трактор не має джерела живлення, необхідного для мобільних машин, цю потребу можна задовольнити як тимчасове рішення, наприклад із зовнішнім генератором, що приводиться в рух від валу відбору потужності.
На виставці Agritechnica у 2013 році GKN Walterscheid GmbH та GKN Land Systems представили генератор для генерації 100 кВт електроенергії на виставці Agritechnica 2013. Генератор з радіатором може бути з'єднаний з передньою підвіскою трактора за допомогою швидкої стяжки і підключений до карданного валу карданним шарніром (рис. 7). Для використання обладнання необхідний трактор з потужністю двигуна 140-200 кВт. Малюнок 7: GKN Walterscheid, встановлений на тракторі “ePower-Generator”
Електричний привід паливних елементів
У галузі рушіння транспортних засобів великою перспективою майбутнього є так звана електрична силова установка на паливних елементах. Суть цього полягає, простіше кажучи, в тому, що, об’єднавши водень і кисень у спеціальній комірці, може генеруватися електричний струм, через який транспортний засіб може рухатися від електродвигуна. У 2009 році компанія New Holland представляє перспективний експериментальний трактор на паливних елементах (рисунок 8).
Малюнок 8: Трактор New Holland T6000 NH2TM із системою паливних елементів 78 кВт
Система паливних елементів NH2TM, вбудована в серію T6000, забезпечує 78 кВт (106 кінських сил). Для практичної реалізації електричного двигуна на паливних елементах ще потрібно вирішити кілька проблем, таких як економічне виробництво та зберігання водню та будівництво дуже дорогої інфраструктури. Паралельно зі зменшенням запасів нафти, розподіл системи паливних елементів у тракторній техніці очікується через 30-40 років.
Поширення гібридних тракторів революціонізує силовий агрегат трактора та привід сільськогосподарської техніки.
Доктор Вільмос Варга
SZIE Машинобудівний факультет, кафедра транспортних технологій, Gödöllő