Гибридные приводы в дорожно-строительном машиностроении

Развитие гибридных приводов (иногда их называют гибридными силовыми агрегатами или просто гибридами) связано с необходимостью снижения расхода топлива в двигателях внутреннего сгорания и ужесточением экологических норм на эмиссию отработанных газов. Наибольшие успехи достигнуты в области автотранспортных средств, производители которых используют гибридные приводы различных типов.

В дорожно-строительном машиностроении гибридные приводы (ГП) пока распространены в меньшей степени, что связано с тяжелыми условиями эксплуатации дорожно-строительной техники, в том числе с необходимостью реализации больших тяговых усилий. Их устанавливают, как правило, на машины циклического действия, в частности, на фронтальные одноковшовые погрузчики, одноковшовые экскаваторы и бульдозеры, а также на погрузчики и краны.

Гибридным называют привод, содержащий не менее двух источников энергии (двигателей), которые взаимно дополняют друг друга в зависимости от режима нагружения. В основе современного ГП лежит сочетание двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигателя (ЭД), оснащенных электронной системой управления, которая перераспределяет потоки энергии от ДВС и ЭД. Следует отметить, что разработка ГП стала возможной только благодаря современным достижениям в области электронных систем управления.
Прототипами ГП можно считать дизель-электрические силовые установки различных машин (в том числе одноковшовых экскаваторов, погрузчиков, кранов), которые имеют повышенную надежность узлов за счет значительного снижения количества трущихся деталей в электрических трансмиссиях. Традиционный дизель-электрический привод содержит первичный двигатель - ДВС, который через электрогенератор приводит ЭД исполнительного механизма. Отметим, что в таком приводе отсутствует возможность перераспределения энергии между ее источниками в зависимости от режима эксплуатации машины.

Развитие ГП осуществляют в двух основных направлениях:

1) равноправное объединение ДВС с ЭД (так называемые «полные гибриды»);
2) оснащение ДВС вспомогательным ЭД («неполные гибриды»).

Первое направление, связанное с полными гибридами, активно развивается в области автотранспортных средств, однако пока не нашло развития в дорожно-строительном машиностроении из-за необходимости применения габаритных и тяжелых аккумуляторных батарей.

Второе направление развивается более успешно ведущими производителями дорожно-строительной техники. Имеется два основных варианта конструкций неполных гибридов:

- параллельное сочетание ДВС и ЭД («параллельные гибриды»);
- последовательное размещение ДВС и ЭД («последовательные гибриды»).

Параллельное сочетание ДВС и ЭД осваивают ведущие производители дорожно-строительной техники. Например, компании «Komatsu» и «Hitachi» (Япония), «Volvo» (Швеция), «Caterpillar» (США), «Atlas Weyhausen» (Германия) и др. выпускают машины с гибридными силовыми агрегатами. При таком сочетании источников энергии ЭД используют как дополнение к дизельному двигателю. Совместное функционирование дизельного и электрического двигателей в составе ГП позволяет каждому источнику энергии работать в оптимальном режиме, дополняя друг друга при различных условиях эксплуатации. ЭД практически мгновенно дает дополнительную мощность, не расходуя топливо и не загрязняя окружающую среду.

Все серийно выпускаемые машины для земляных работ с параллельным расположением источников энергии имеют тяговые электродвигатели постоянного тока. Например, такие приводы имеют гибридные экскаваторы компании «Komatsu». Машины первого поколения были выпущены компанией в 2008 году (модель РС200LС-8 Hybrid), второго поколения - в 2011 году. В конструкции экскаватора второго поколения (модель Komatsu НВ215LС-1) использованы ДВС, а также следующие электрические компоненты:

- электрический агрегат, способный работать в режимах генератора и двигателя (мотор-генератор);
- инвертор (преобразователь переменного тока в постоянный, т.е. трансформатор);
- аккумуляторная батарея (конденсатор);
- электродвигатель постоянного тока.

Мотор-генератор объединен с маховиком ДВС и располагается между дизелем и гидронасосом привода исполнительных механизмов (рабочих органов). При работе в режиме генератора мотор-генератор вырабатывает переменный ток и передает его в трансформатор, который преобразует переменный ток в постоянный и передает его в накопительный конденсатор. В свою очередь, конденсатор накапливает постоянный ток и отдает электроэнергию или электродвигателю, или мотор-генератору в зависимости от режима эксплуатации. Современные аккумуляторы гибридов иногда называют суперконденсаторами, поскольку их электрическая емкость превосходит емкость традиционных аккумуляторов на порядок и более.

На рисунке 10.1 представлена структурная схема параллельного гибрида и показаны два основных режима его работы:

первый - режим работы мотор-генератора как генератора отражен на структурной схеме сплошной линией: ДВС - М-Г - Тр - АБ - ЭД - ИМ;.
второй - режим работы мотор-генератора как электродвигателя отражен на схеме пунктиром: АБ - Тр - М-Г - ИМ + ДВС - ИМ.



Одна из главных особенностей ГП - это способность возвращать энергию, которая в традиционных приводах теряется безвозвратно. При замене гидропривода поворота платформы на гибридный вариант (по данным опытных испытаний упомянутых ранее гибридных экскаваторов компании «Komatsu») экономия топлива достигает 30-40 % в зависимости от вида строительных работ по сравнению со стандартными аналогами той же фирмы. ЭД гибрида преобразовывает механическую (кинетическую) энергию торможения при повороте платформы в электрическую. При торможении ЭД работает как генератор и через блок управления передает энергию торможения обратно в конденсатор. Она запасается в конденсаторе и используется для питания электродвигателя или мотор-генератора. Если электроэнергия поступает в мотор-генератор, он работает в режиме электродвигателя и помогает дизелю приводить в действие гидронасосы рабочих органов. Мотор-генератор способен развивать дополнительную мощность более 40 кВт.

Работу ГП регулирует электронная система управления, которая обеспечивает эффективное использование электроэнергии для функционирования машины в зависимости от условий эксплуатации в различных вариантах: мотор-генератор в режиме ЭД вместе с ДВС приводит механизмы или в режиме генератора заряжает накопительный конденсатор, а конденсатор передает электроэнергию ЭД или мотор-генератору.

В качестве примера можно привести гибридный привод «Deutz hibrid drive», установленный на фронтальный погрузчик немецкой фирмы "Atlas Weyhausen". Электрический агрегат включают для обеспечения потребности в пиковой мощности при низких и средних нагрузках. В режиме работы, когда необходима только часть мощности ДВС, аккумулятор заряжается в диапазоне номинальной выходной мощности дизельного двигателя, что способствует оптимизации расхода топлива. В режиме торможения энергия торможения направляется с электроагрегата на аккумулятор.

Таким образом, сочетание ДВС и ЭД имеет следующие особенности:

- гибридная силовая установка может работать как двигатель и как генератор;
- появляется возможность уменьшения мощности ДВС без снижения общей мощности силовой установки;
- снижается расход топлива и выбросов отработанных газов в атмосферу из-за уменьшения мощности дизельного двигателя;
- требуются незначительные изменения в конструкции дизельного двигателя без изменения конструкции машины;
- отпадает необходимость в генераторе и стартере.

Представления о характеристиках параллельного гибрида дают следующие цифры (на примере грузовиков компании «Volvo»): напряжение на аккумуляторной батарее составляет 600 В, мощность ЭД - 120 кВт, мощность ДВС - 300 кВт.

Неполные гибриды с последовательным расположением ДВС и ЭД (последовательные гибриды), строго говоря, не являются гибридами, к которым их традиционно причисляют. Конструкция такого привода обеспечивает последовательный переход механической энергии ДВС в электрическую энергию генератора и затем обратно в механическую при помощи ЭД, т.е. первичный двигатель приводит ЭД без обратной силовой связи, как в параллельных гибридах. Между тем, такие неполные гибриды находят все более широкое применение, поскольку существенно упрощают трансмиссионные передачи по сравнению с механическими аналогами.

В качестве примера последовательного гибрида можно привести привод хода бульдозера (модели D7E), выпущенного компанией «Caterpillar». В этом бульдозере первичным является дизельный ДВС, который через генератор переменного тока приводит два бортовых тяговых ЭД переменного тока. Каждый из них кинематически через бортовые редукторы (планетарного или традиционного типа) связан с ведущей звездочкой гусеничного движителя, осуществляя передвижение бульдозера. В таком варианте привода значительно упрощается трансмиссия, поскольку отпадает необходимость в коробке перемены передач, карданном вале и других элементах механических передач. По существу, ЭД переменного тока выполняют функции элементов бесступенчатой трансмиссии. Результаты технико-эксплуатационной оценки бульдозера с гибридным приводом хода показывают следующее:

- ДВС работает в достаточно узком диапазоне номинальной частоты вращения коленчатого вала (1450-1650 мин-1), что увеличивает ресурс машины в целом и повышает комплексные показатели надежности;
- упрощена система управления бульдозером благодаря эффективному использованию современной микропроцессорной и компьютерной техники для автоматизации рабочего процесса;
- бульдозер имеет высокую удельную производительность: он способен перемещать на 25 % больше грунта на каждый литр израсходованного топлива, чем бульдозер той же мощности с традиционным приводом;
- электрическая силовая установка содержит на 60 % меньше подвижных частей по сравнению с традиционной трансмиссией.

Другим примером неполного гибрида с последовательным расположением источников энергии может служить фронтальный погрузчик корпорации «Volvо» (моделей L220F и L240F). В его приводе использованы ДВС, а также следующие электрические компоненты:

- стартер-генератор;
- аккумуляторная батарея;
- электродвигатель переменного тока;
- электронная система управления.

Основой гибридного агрегата является интегрированный стартер-генератор (ISG) который устанавливают между дизелем и электротрансмиссией и подсоединяют к мощной аккумуляторной батарее. Он обеспечивает запуск дизельного двигателя, выполняя задачу традиционного электрического инерционного стартера. Отметим, что обычный стартер имеет в своём составе электродвигатель, редуктор, устройства сцепления и расцепления коленчатого вала ДВС с маховиком.

Стартер-генератор обеспечивает при необходимости автоматическое отключение дизеля, а затем практически мгновенный перезапуск за счёт батареи. Кроме того, он решает традиционную проблему дизельного двигателя, которая состоит в небольшом крутящем моменте при малой частоте вращения коленчатого вала. Стартер-генератор через электродвигатель увеличивает крутящий момент (до 700 Н*м) непосредственно из состояния покоя. Таким образом, генератор выдаёт фронтальному погрузчику дополнительно 50 кВт, что отражается на быстродействии исполнительных механизмов погрузчика.

Следует отметить, что использование гибридных установок повышает стоимость машин на 20-25 %, тем не менее, за счет упомянутых технико-экономических достоинств первоначальные финансовые вложения быстро окупаются в период эксплуатации.