Любая вещь смешанного происхождения или состава может называться гибридом. В более узком понимании гибрид – это единый функционирующий узел, в котором совмещаются разнородные технологии. Под такое определение подходят и известные десятки лет гидростатический и дизель-электрический приводы, поскольку в них совмещаются механический и гидравлический или электрический способы передачи энергии, однако на практике подобные конструкции редко называют гибридными. Общепринятым является использование термина «гибридные» для обозначения инновационных современных смешанных (разнородных) технологий использования энергии в тяжелой спецтехнике и грузовиках.

Более конкретное определение дает компания Caterpillar: «Гибрид – это машина, оснащенная оборудованием, способным рекуперировать, аккумулировать и отдавать энергию во время работы».

Однако в соответствии с этим определением некоторые машины, оснащенные инновационными смешанными технологиями использования энергии, формально должны быть исключены из класса «гибридных», например гусеничный бульдозер Cat D7E, потому что его электромеханическая трансмиссия не рекуперирует, не аккумулирует и не отдает запасенную энергию, а также несколько моделей фронтальных колесных погрузчиков: Cat 966K XE, John Deere 644K Hybrid, John Deere 944K, в которых рекуперируется и используется для полезной работы энергия, превращающаяся в обычных машинах в тепло и рассеивающаяся, но эта энергия не аккумулируется.

В данной статье мы будем использовать понятие «гибридная машина» достаточно широко, подразумевая под этим любую машину, в которой «используются смешанные технологии передачи (и преобразования) энергии, обычно не применяющиеся в технике данного типа или размера», или, другими словами, «используются необычные для данной техники энергетические технологии».

Фундаментальные принципы гибридных технологий

Кроме определений полезно вспомнить еще два понятия, часто встречающихся при рассмотрении гибридных технологий: рекуперативное торможение и мотор-генератор.

Рекуперативное торможение – в широком понимании это физический процесс замедления или остановки движения массы, например, движущегося фронтального погрузчика, вращающейся надстройки экскаватора или опускающейся стрелы экскаватора, и преобразования кинетической энергии в другую форму энергии, которая может аккумулироваться или использоваться немедленно для выполнения полезной работы. Энергия инерции механического движения используется для приведения в действие электродвигателя, работающего в режиме генератора, или гидромотора, работающего как гидронасос. При работе строительной техники – экскаваторов, погрузчиков – процессы разгона и торможения повторяются в каждом цикле с периодичностью в несколько десятков секунд, и это огромный потенциал для экономии энергии и, следовательно, топлива.

Мотор-генератор преобразует электроэнергию и может работать в качестве электромотора и генератора. Он соединен с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) таким образом, что, работая в режиме электромотора, может увеличивать мощность ДВС или может помогать приводить в действие гидронасосы, уменьшая таким образом нагрузку на ДВС и экономя топливо. Работая в качестве генератора, мотор-генератор питает током другие электродвигатели машины или заряжает аккумулирующее устройство, например аккумуляторную батарею или конденсатор (прибор, который способен быстро аккумулировать и отдавать большие количества электроэнергии).

Подчеркнем также, что при работе на гибридном приводе уровень шума у машины значительно ниже, чем при работе на ДВС, и это очень важно для экологии.

Машины с классическими гибридными приводами

Гидравлический экскаватор Komatsu HB215LC-1 является примером электрической гибридной конструкции, в которой рекуперируется и аккумулируется кинетическая энергия торможения поворачивающейся надстройки. В отличие от обычных экскаваторов, в которых используется гидромотор поворота, в конструкции Komatsu применяется электромотор поворота. Если мотор поворота не включен и не получает питания, он вращается под действием инерции поворачивающейся надстройки машины, работает как генератор и тормозит движение надстройки. Генерируемый ток направляется в аккумулирующий конденсатор через преобразователь тока. Энергия из конденсатора затем может использоваться либо для питания электромотора механизма поворота в качестве вспомогательной – для создания ускорения при повороте, либо для питания мотор-генератора, работающего как электромотор и добавляющего до 60 л.с. к мощности ДВС и помогающего ДВС быстрее набирать обороты, а также приводящего в действие гидронасосы привода.

В гибридном экскаваторе Cat 336E H, официальная премьера которого состоялась на выставке Bauma в апреле 2013 г., рекуперативное торможение используется иначе – для аккумулирования кинетической энергии гидравлическим способом. Когда оператор отпускает рычаг включения поворота надстройки и гидромотор поворота перестает получать питание от гидронасоса, за счет инерции поворота надстройки гидромотор поворота приводится в движение и начинает работать как гидронасос, а надстройка замедляет движение.

В обычных экскаваторах поток масла от гидромотора поворота (работающего теперь как насос) останавливается в выключенном гидронасосе системы, создающем сопротивление в контуре, в результате останавливается гидромотор поворота. В ходе этого процесса, т. н. «гидростатического торможения», кинетическая энергия превращается в тепловую. Однако в экскаваторе мод. Cat 336E H данный поток масла направляется через «Клапан рекуперации энергии поворота» (Swing Energy Recovery Valve) на зарядку азотного аккумулятора: масло сжимает газ в аккумуляторе. Таким образом, кинетическая энергия инерции поворота аккумулируется для полезного использования, а за счет сопротивления потоку масла тормозится гидромотор поворота. Как утверждается, расход топлива у гибридной модели уменьшается до 25% по сравнению с машиной с традиционным силовым приводом, а производительность гибридной модели не уступает модели с ДВС.

Еще одна конструкция, позволяющая использовать энергию торможения надстройки при повороте, реализована в экскаваторе Hitachi New Generation ZH200 (выпущен в 2011 г.). В этой модели используются два гидромотора поворота надстройки (один электрический и один гидравлический), конденсатор и мотор-генератор.

В процессе торможения поворачивающейся надстройки электромотор поворота работает как генератор и заряжает конденсатор, который затем питает электромотор поворота, помогающий гидромотору поворота быстрее поворачивать надстройку. Как утверждается, мотор-генератор соединен с гидронасосами и регулирует количество электрической энергии, аккумулируемой в конденсаторе, то есть мотор-генератор может и заряжать конденсатор, и помогать ДВС приводить в действие гидронасосы. Заявленное улучшение топливной экономичности гибридной модели – до 20%.

Гибридный привод экскаватора Kobelco SK-80H-2 (в 2010 г. выпущен на японский рынок) отличается тем, что в нем сочетаются элементы электрической и гидравлической систем. В конструкции есть генератор, который приводится от ДВС, генератор заряжает конденсатор и никель-металл-гибридный аккумулятор через преобразователь тока. Аккумулированная энергия направляется через обратный преобразователь тока на питание четырех электромоторов. Три из них приводят в движение гидронасосы, питая гидравлические контуры стрелы, рукояти/ ковша и механизма хода. Четвертый электромотор непосредственно работает в механизме поворота надстройки и, когда функционирует как генератор (при торможении поворачивающейся надстройки), заряжает конденсатор и аккумуляторную батарею.

К тому же в конструкции Kobelco используется пара электромотор/ гидронасос, которые приводят в действие стрелу через отдельный контур гидросистемы, причем, когда стрела опускается, кинетическая энергия замедления движения стрелы используется для подачи масла из контура стрелы на привод гидронасоса, который в данном случае работает в режиме гидромотора. Гидронасос/ мотор в свою очередь приводит в движение соединенный с ним электромотор, который здесь работает как генератор. Вырабатываемый электрический ток (как и ток от электромотора поворота надстройки) поступает в аккумулятор и конденсатор. Как утверждается, в некоторых случаях вся машина может работать только от электроэнергии – с выключенным ДВС, в результате экономится значительное количество топлива и снижается уровень шума, что особенно важно при работе в районах с плотной жилой застройкой.

Основным компонентом параллельного гибридного привода погрузчика L220F Hybrid (2008 г.) является «Объединенный стартер-генератор» (Integrated Starter Generator, ISG), расположенный между ДВС и трансмиссией и связанный с современной аккумуляторной батареей, имеющий во много раз большую емкость по сравнению с обычной свинцово-кислотной батареей.

До 40% рабочего времени двигатель колесного погрузчика работает на холостом ходу. Гибридный привод позволяет выключать ДВС, когда он не нужен, и заводить и очень быстро выводить на рабочие обороты с помощью стартера-генератора, получающего энергию из аккумуляторной батареи. Стартер-генератор добавляет к мощности ДВС до 67 л.с. Заряд батареи затем пополняется за счет рекуперативного торможения погрузчика. Топливная экономичность гибридного погрузчика составляет 10% по сравнению с классическими моделями.

В приводе мод. John Deere 644К Hybrid мотор-генератор с приводом от ДВС используется для питания одного электромотора через преобразователь тока с жидкостным охлаждением. Крутящий момент с электромотора передается на автоматическую коробку передач упрощенной конструкции (без гидротрансформатора и реверсивной передачи, потому что электромотор сам может осуществлять реверс – вращаться в обратную сторону) и обычные оси. В машине используется рекуперация энергии торможения, когда во время торможения механическая трансмиссия вращает электромотор, который работает в режиме генератора, полученная энергия аккумулируется и может быть использована мотор-генератором «для привода гидрооборудования и экономии топлива», как сказано в документах компании. Для аккумулирования рекуперированной энергии в конструкции также используется тормозной резистор с жидкостным охлаждением. Компания уже принимает заказы на поставку этих машин.

В электрическом гибридном приводе компании Eaton, применяющемся для коммерческих грузовых автомобилей, мотор-генератор располагается между сцеплением и трансмиссией. При торможении энергия рекуперируется, инерция массы грузовика вращает механическую часть трансмиссии, а мотор-генератор работает в режиме генератора, энергия аккумулируется в литий-ионных батареях. Затем электронная система управления использует аккумулированную энергию для привода мотор-генератора, работающего в режиме мотора, который в свою очередь либо увеличивает крутящий момент ДВС, либо непосредственно приводит в движение грузовик (в момент трогания с места) без участия ДВС.

Во всех описанных выше машинах привод рекуперирует, аккумулирует и использует энергию торможения, поэтому мы и назвали их классическими.

Электромеханические гибридные конструкции

Дизель-электрический привод используется в огромной карьерной технике довольно давно. Новый импульс получило развитие приводов такого типа с появлением электронных систем управления.

Во фронтальных колесных погрузчиках LeTourneau десятки лет используется дизель-электрический привод. ДВС приводит генератор переменного тока, который преобразуется в постоянный с помощью кремниевого триодного тиристора и поступает на питание четырех электромоторов на колесах. При торможении этих огромных машин (эксплуатационная масса мод. LeTourneau-2350 достигает 266,6 т) обычные тормоза превращают кинетическую энергию в тепло посредством трения. Однако в моделях второго поколения внедрена «Гибридная технология привода с коммутируемым реактивным электромотором» (Switched Reluctance Hybrid Technology Propulsion System) с системой рекуперативного торможения, преобразующей до 90% огромной кинетической энергии в электрический ток посредством электромоторов, в конструкции которых нет щеток и используется биполярный транзистор с изолированным затвором и с жидкостным охлаждением. Это очень простая и надежная конструкция, почти не требующая техобслуживания.

По словам производителя, система рекуперативного торможения позволяет останавливать машину без использования обычных тормозов, за счет чего увеличивается их ресурс. Утверждается, что гибридная система позволяет экономить до 45% топлива по сравнению с моделями предыдущего поколения. Описание, каким образом аккумулируемая энергия используется для полезной работы, не приводится. Говорится лишь, что колесные электромоторы могут вращать колеса вперед и назад, работать в режимах мотора и генератора, они стали меньше, сохранив мощность, равную электромоторам первого поколения.

На подобном же принципе построен привод карьерного самосвала мод. Cat 795F AC (2010 г.): ДВС приводит генератор, а мотор-колеса могут работать в режиме генератора и рекуперировать энергию торможения.

Дизель-электрический привод, лежащий в основе гибридных погрузчиков LeTourneau второго поколения, не является новинкой. А вот дизель-электрический привод фронтальных колесных погрузчиков меньшего типоразмера John Deere 944K и электромеханический привод бульдозера Cat D7E – конструкции совершенно оригинальные и инновационные.

Силовой привод в мод. John Deere 944K имеет конструкцию, подобную гибридным погрузчикам LeTourneau, только в нем используются два мотор-генератора с приводом от ДВС, которые в свою очередь обеспечивают питанием электрические приводы четырех мотор-колес. В мод. 944К рекуперируется кинетическая энергия торможения машины: при этом электромоторы колес работают в режиме генераторов. Затем, как утверждается, «рекуперированная энергия возвращается на коленчатый вал ДВС, помогая ДВС справиться с нагрузкой и уменьшая расход топлива, также эта энергия используется в других системах машины».

В электромеханическом приводе бульдозера Cat D7E, в отличие от классического «гибридного» привода, отсутствует рекуперация энергии. Поднимите кабину 27-тонного бульдозера Cat D7E (выведен на рынок в 2009 г.) – и сразу увидите компоненты, нехарактерные для гусеничной техники, такие как генератор, который приводится от ДВС мощностью 235 л.с., преобразователь тока и движитель вместо обычного гидротрансформатора и автоматической коробки передач. Генератор вырабатывает переменный ток напряжением 480 В, который затем преобразуется или в постоянный ток, или в частотно-управляемый переменный ток, последний поступает на питание двух больших механически соединенных электромоторов в составе движителя, от которого приводится обычный дифференциал с бортовыми передачами Caterpillar. Постоянным током напряжением 340 В питаются жидкостный насос и кондиционер машины. Компания приводит такую цифру: топливная экономичность гибридной модели повышается до 30% по сравнению с машиной со стандартным приводом при одинаковой мощности.

Гидравлические гибриды

Разработанный компанией Eaton гибридный «Вспомогательный гидравлический привод для трогания с места» (Hydraulic Launch Assist) включает в себя обычный силовой привод грузового автомобиля, соединенный через раздаточную коробку с гидравлическим насосом/ мотором. При торможении кинетическая энергия массы автомобиля преобразуется в гидравлическую энергию за счет вращения гидравлического насоса/ мотора, работающего в режиме насоса, который закачивает гидравлическое масло в аккумулятор высокого давления. Как сказано в описании, в нем аккумулируется примерно 70% доступной энергии. Аккумулируемая гидравлическим способом энергия (без помощи ДВС) может использоваться для разгона грузовика, пока не истощится заряд аккумулятора, за счет чего снижается расход топлива, или может применяться для увеличения крутящего момента ДВС для увеличения темпа разгона грузовика.

В конструкции привода Run Wise 3-Gear System компании Parker ДВС грузовика используется для привода гидравлического насоса/ мотора, который сначала заряжает гидроаккумулятор высокого давления. Аккумулятор затем питает гидромоторы гидростатического привода колес грузовика. На «нижней ступени» гидростатического привода самосвал развивает скорость до 40 км/ч, а на «верхней» – до 70 км/ч. ДВС в составе гидростатического привода работает на оборотах чуть выше холостого хода. При скорости выше 70 км/ч самосвал приводится только от ДВС напрямую через механическую трансмиссию. Когда самосвал делает частые остановки, насосы/ моторы гидропривода работают в режиме насосов, обеспечивая рекуперацию энергии торможения и заряжая гидроаккумулятор.

В конструкции гибридного привода 24-тонного колесного фронтального погрузчика Cat 966K XE имеются механические силовые компоненты (до гидротрансформатора) и компоненты гидростатического привода гидромотор/ насос, два потока мощности соединяются в планетарном редукторе, обеспечивающем «максимальный к.п.д. передачи», как сказано в документации Caterpillar. Изменение скорости в трансмиссии производится бесступенчато. Похоже, что привод способен рекуперировать энергию торможения с помощью гидравлической части силового привода, эта энергия затем используется для создания потока в гидросистеме, как утверждается, «в контурах рабочего оборудования или привода вентилятора системы охлаждения, за счет чего ДВС (мощностью 290 л.с.) работает на более низких оборотах». Экономия топлива достигает 25% по сравнению с предыдущими моделями. Мод. 966К ХЕ выпущена на рынок в I квартале 2013 г.

В секторе горнодобывающего оборудования Caterpillar разрабатывает гибридные приводы для карьерного гидравлического экскаватора Cat 6120H FS и электрического канатного экскаватора Cat 7495, в которых рекуперируется энергия торможения при повороте надстройки и опускании стрелы.

Компания Joy Global, владелец фирмы LeTourneau, разработала дизель-электрический канатный экскаватор P&H 2650, в котором, по словам компании, гибридная технология позаимствована у фронтального погрузчика LeTourneau.

* * *

Разработку гибридных приводов для строительной и карьерной техники ведут также и другие глобальные компании: Liebherr, Terex, Sumitomo и т. д.