«Гибрид» против обычного экскаватора

Первый гибридный экскаватор Komatsu PC200LC-8 Hybrid был выпущен в Японии в середине 2008 г. Машина быстро стала популярной в Юго-Восточной Азии, и в настоящее время парк гибридных экскаваторов в мире составляет около 700 ед. В 2009 г. Komatsu ввезла в Северную Америку 10 гибридных экскаваторов и разместила их у потребителей в различных условиях эксплуатации на территории США и Канады. Сейчас наработка первых гибридных машин уже приближается к 14 000 моточасов.

Конструкция гибридного экскаватора

Модель гибридного экскаватора второго поколения Komatsu HB215LC-1 компания представила в марте 2011 г. на выставке CONEXPO. В конструкции используется дизельный двигатель (ДВС) и четыре основных электрических компонента: мотор-генератор (электрический агрегат, способный работать в режимах генератора и электродвигателя), инвертор (преобразователь переменного тока в постоянный), накопительный конденсатор Komatsu Ultra Capacitor и недавно разработанный электродвигатель ОПУ*. Мотор-генератор располагается между ДВС и гидронасосом привода и объединен с маховиком ДВС. При работе в режиме генератора мотор-генератор вырабатывает переменный ток и передает его в инвертор, который преобразует переменный ток в постоянный и передает его в накопительный конденсатор. Функция накопительного конденсатора – быстро накапливать постоянный ток и быстро отдавать энергию электродвигателю ОПУ или мотор-генератору.

Одна из главных особенностей гибридного привода Komatsu – способность электродвигателя ОПУ преобразовывать в электричество энергию торможения во время поворота платформы. Силы торможения огромны, и электроэнергии вырабатывается много, она запасается в конденсаторе. Запасенная энергия может использоваться либо для питания электродвигателя ОПУ, либо для питания мотор-генератора. Если электроэнергия поступает в мотор-генератор, этот компонент работает в режиме электродвигателя и помогает дизелю приводить в действие гидронасосы. Мотор-генератор может развивать дополнительную мощность до 44 кВт.

Благодаря наличию мотор-генератора Komatsu удалось использовать на гибридном экскаваторе HB215LC-1 дизель меньшего типоразмера: 4-цилиндровый мощностью 104 кВт. Аналогичный экскаватор традиционной конструкции PC200LC-8 оснащен 6-цилиндровым ДВС мощностью 109 кВт.

Всей работой гибридного привода управляет электронная система, которая «решает», как эффективнее использовать электроэнергию системы для функционирования машины: будет ли мотор-генератор «помогать» ДВС или заряжать накопительный конденсатор, а конденсатор передавать электроэнергию двигателю ОПУ или мотор-генератору, который помогает ДВС.

Методика испытаний

Сравнивались две машины Komatsu: экскаватор традиционной конструкции PC200LC-8 и гидридный HB215LC-1. Они имеют одинаковую эксплуатационную массу около 21 т, одинаковые конструкцию, ходовую часть, кабину, стрелу, рукояти и ковши. Испытуемые машины были оснащены стрелами длиной 5,7 м, рукоятями длиной 2,9 м и ковшами шириной 1,067 м, вместимость которых «с горкой» по SAE составляет 1,025 м³. Испытания проходили в третью неделю мая на испытательном полигоне Komatsu в г. Кестервиль (штат Джорджия). Разрабатываемый грунт – в основном глина плотностью 1690 кг/м³.

Испытания проводил опытный оператор, уже два года работавший на гибридных экскаваторах Komatsu. Обе машины выполняли одинаковую работу. Методика испытаний была разработана специалистами Komatsu. Испытания состояли из нескольких «упражнений»: «Загрузка самосвала», «Выемка траншеи» и «Комплекс работ».

По просьбе компании Komatsu журнал Construction Equipment не стал публиковать точных цифр, полученных в результате испытаний. Решено было лишь констатировать, у какой из машин оказались лучше показатели в каждом из «упражнений».

«Загрузка самосвала». В ходе выполнения этого упражнения каждый экскаватор загружал 10 ковшей грунта в кузов 3-осного самосвала. Грунт извлекался из неглубокой траншеи, экскаватор поворачивал платформу на 90° и разгружал ковш в самосвал. Измерялось время выполнения каждой серии из 10 циклов разгрузки ковша, затем взвешивался самосвал и определялась масса загруженного грунта. В перерывах между загрузками самосвалов двигатели экскаваторов выключали, чтобы исключить расход топлива на холостом ходу. Расход топлива экскаваторов определялся по показаниям бортового компьютера. По эффективности использования топлива (в тоннах загруженного грунта на литр израсходованного топлива) «гибрид» вновь оказался лучше в среднем на 33%. Производительность HB215LC-1 оказалась чуть больше, чем PC200LC-8, благодаря меньшим затратам времени на рабочий цикл.

«Выемка траншеи». Машины отрывали по две траншеи, затрачивая по 20 мин на выемку каждой. Суммарная протяженность двух траншей составила более 76 м погонной длины. Заданная глубина траншеи составляла 3 м, а ширина – равна ширине ковша. Измерения глубины и ширины траншей проводили через каждые 3 м длины, при подсчете объема вынутого грунта учитывалось расширение у верхней части траншеи.

По показаниям бортовых компьютеров экскаваторов получали значения удельного расхода топлива (л/моточас). Рассчитав для каждой машины удельную производительность (в м³ грунта/моточас), делили полученное значение на удельный расход топлива, в результате получили, что эффективность использования топлива (в кубометрах вынутого грунта на литр израсходованного топлива) у «гибрида» на 33% лучше, чем у его конкурента. Эти испытания показали также, что у «гибрида» среднее время рабочего цикла меньше.

«Комплекс работ». При выполнении этого упражнения машины последовательно загружали грунт в самосвал, отрывали траншею, выкапывали дренажную канаву и разравнивали извлеченный грунт, выполняя по 10 циклов каждого из видов работ. Затем экскаваторы совершали транспортное движение в течение 1,25 мин и в конце работали на холостом ходу в течение 5 мин. Испытание имитировало «рабочий день 20-тонного экскаватора». Каждая машина выполняла упражнение по два раза. Измерялось общее время выполнения упражнения и каждого вида работ в отдельности.

Чтобы гарантировать, что обе машины будут затрачивать примерно одинаковое время на маневрирование при изменении вида работ, известные значения времени, затраченного на выполнение отдельных видов работ, вычитали от общего времени выполнения упражнения. Остаток считался временем, затраченным на маневрирование при смене вида работ, который оказался, однако, почти одинаковым у обеих машин: в среднем разница составила всего 15 с за одно упражнение.

Испытания показали, что у HB215LC-1 эффективность использования топлива на 21% выше, чем у РС200LC-8, то есть гибридный экскаватор выполнил такой же объем работ, как РС200LC-8, затратив на это топлива меньше на 21%. Удельная экономия топлива в этом случае составила приблизительно 3,8 л/моточас. Вдобавок «гибрид» продемонстрировал значительное преимущество в скорости работы.

Заключение

В результате испытаний наиболее впечатляющие цифры были получены по эффективности использования топлива: у гибридного экскаватора в среднем по трем упражнениям этот показатель оказался лучше на 29%. Похоже, что преимущество в эффективности использования топлива у «гибрида» пропорционально интенсивности поворотов надстройки в процессе работы (так как при поворотах генерируется дополнительная электроэнергия).

Испытания показали, что благодаря меньшим затратам времени на рабочий цикл у гибридного экскаватора выше потенциальная производительность, чем у обычного экскаватора. Гидросистема «гибрида» работает быстрее благодаря «помощи», которую мотор-генератор оказывает дизелю.

ДВС гибридного экскаватора меньше по мощности, но эффективность использования топлива у него гораздо выше.

По отзывам операторов, имеющих опыт работы на гибридном экскаваторе, расход топлива у «гибрида» всегда меньше, а на режимах средних и высоких нагрузок он обычно превосходит традиционный аналог по производительности. В сверхтяжелых условиях работы производительность экскаваторов обоих типов практически одинакова, но топливная экономичность все-таки лучше у «гибрида».

Стоимость гибридного экскаватора на 30% выше, чем обычного. Однако, по заявлению фирмы-производителя, эта разница в стоимости быстро окупается за счет экономии топлива.

* Нужно добавить, что это двигатель только для поворота платформы и ставится вместо гидромотора поворота.

Гибридный грузовик против гоночного болида

Компания Volvo ведет обширные работы в сфере гибридного привода. Известны мусоровозы и развозные грузовики Volvo FE с гибридным приводом «параллельного» типа, автобусы и легковые автомобили.

Шведский гонщик Бойе Овебринк на своем гибридном грузовом автомобиле Volvo Mean Grean принял вызов гоночного автомобиля Ferrari, и 27 августа в рамках фестиваля грузовиков Trucking Festival в шведском городке Манторп в присутствии публики состоялся заезд, в котором Mean Green с успехом смог противостоять гоночной агрессии Ferrari. Начиная со старта, Ferrari захватил лидерство, однако Mean Green сумел ликвидировать отрыв и одержал победу на заключительных метрах дистанции.

Гибридный грузовой автомобиль Volvo Mean Green создан на базе модели Volvo VN с использованием последних гибридных технологий. Капот сделан более покатым, чем у грузовика-прототипа, для снижения аэродинамического сопротивления. Автомобиль оснащен стандартным 16-литровым турбированным двигателем Volvo D16 мощностью около 1400 кВт и дополнительным электромотором мощностью 140 кВт. Коробка передач – модернизированная автоматическая I-Shift. Снаряженная масса машины – всего 5,4 т, включая 200 кг аккумуляторных батарей. Суперкар способен с места разгоняться до 100 км/ч всего за 4 с и развивает максимальную скорость 260 км/ч. Volvo заявляет, что Mean Green – самый быстрый в мире гибридный грузовик.