Mild Hybrid, Full Hybrid ir Torque vectoring – nauji ir negirdėti terminai traktorių inžinerijoje, kuriuos pabandysime išaiškinti.

Mažos (nuo 25 iki 105–115 AG) ir vidutinės (106–200 AG) galios universalios paskirties traktorių ir mazgų jiems gamintojai („Deutz AG“, FPT – „FIAT Powertrain Technologies“, JDPS – „John Deere Power Systems“, MTZ, VTZ, ZF) skiria nemažą dėmesį hibridinėms technologijoms.

Priklausomai nuo hibridinės pavaros tipo, traktoriaus varančiuosius ratus gali sukti pagrindinis vidaus degimo (dyzelinis) variklis, elektros variklis (tik Full Hybrid pavarose) ir abu kartu (sinergijos efektas). Visais atvejais traktoriaus ratai su varikliu sujungti mechaniškai. Išskyrus atvejį, kada elektros variklis prijungtas nuosekliai, pavyzdžiui, sovietinės gamybos dyzeliniuose-elektriniuose traktoriuose DET-250 ir 250 M. Šio tipo traktoriams pavarų dėže nereikalinga.

Elektros variklis-generatorius traktoriuose su Mild Hybrid tipo (lygiagretaus jungimo) pavara yra pagalbinis, panašiai kaip John Deere E Premium. Jis padidina variklio galimybę prisitaikyti prie kintančių sąlygų, sparčiau reaguoja ir padeda geriau įveikti trumpalaikes perkrovas, kai variklis dirba padidintos galios režimu.

Esant Full Hybrid tipo (padalyto galios srauto) pavarai, kada vietoje priekinių balastinių svorių sumontuoti masyvūs akumuliatoriai, traktorius gali važiuoti vien tik elektros pavara. Tačiau taip jis gali įveikti tik nedidelį atstumą. Ši funkcija daugiau skirta traktoriui judėti uždarose patalpose. Judėjimo parametrus (važiavimo atstumą, greitį, traukos galią) riboja akumuliatorių baterijos talpa ir elektros variklio galia.

Atlikti sunkiausių darbų (arti, skusti dirvą, sėti) vien tik elektros variklio galia varomas hibridinis traktorius negali. Dyzeliniams-elektriniams traktoriams ši taisyklė negalioja, tačiau žemės ūkyje jie kol kas nebuvo naudojami.

Traktoriuose hibridinės technologijos svarbios ne tik dėl to, kad sumažėtų degalų sąnaudos ir kenksmingų deginių emisija, bet ir todėl, kad padidėtų variklio efektyvioji galia, kuri ypač svarbi vidutinės galios traktorių klasėje. Tai leidžia padidinti traktoriaus panaudojimo efektyvumą, taikant intensyvaus žemės dirbimo technologijas, kada optimalus technologinis greitis siekia 10–12 km/val. (dirbant su skutikliais, sunkiosiomis diskinėmis akėčiomis ir kombinuotais sėjos agregatais).

Didžiausias hibridinės pavaros efektyvumas pasiekiamas, tik jei įrengta bepakopė pavarų dėžė. Nuo 1996 m., kuomet serijiniu būdu pradėti gaminti Fendt Favorit 900 Vario serijos traktoriai, modelių su bepakopėmis pavarų dėžėmis nuolat didėjo ir šiandien jų gausu visose galios klasėse. Ateityje traktorių su bepakopėmis pavarų dėžėmis rinkos dalis tik didės. Tam turės įtakos ir sinchroniškai diegiamos hibridinės technologijos.

Grupė CNH ir kompanija „John Deere“ hibridiniuose modeliuose įdiegė elektros tiekimo papildomiems imtuvams per traktoriaus gale esančias specialias jungtis sistemą. Tai perspektyvi sritis ne tik traktorių, bet ir trąšų barstomųjų, purkštuvų, sėjamųjų ar sodinamųjų, ritinių vyniotuvų, kitų papildomų įrenginių gamintojams, nes atveria naujus sprendimų kelius.

Traktoriuose su nuoseklaus jungimo hibridine pavara, dyzeliniuose-elektriniuose traktoriuose, taip pat traktoriuose su hidrostatine transmisija, tarp variklio ir varančiųjų ratų mechaninio ryšio nėra. Šių tipų traktorių komponavimas yra panašus. Traktoriuose su hidrostatine transmisija variklis suka siurblį, iš kurio alyva tiekiama į atskirus kiekvieno varančiojo tilto ar rato hidrovariklius. Dyzeliniuose-elektriniuose traktoriuose alyvos siurblys pakeistas generatoriumi. Pastarasis elektros energiją tiekia analogiškai išdėstytiems elektros varikliams. Nuoseklaus jungimo hibridinėje pavaroje, skirtingai negu dyzelinėje-elektrinėje schemoje, generatorius elektros energiją tiekia ne tik elektros varikliui, bet ir didesnės talpos akumuliatorių baterijai.

Pažangiausias, tačiau brangiausias tipas

Pirmąjį šiuolaikinį hibridinį traktorių su Full Hybrid tipo pavara 2005 m. pademonstravo grupė CNH parodoje „Agritechnica“, Vokietijoje. Šis projektas pradėtas įgyvendinti dar 1999 m. Kaip skelbia kompanija „Case IH“, pagaminti ir bandomi vos keli ProHybrid EECVT modelio traktoriai.

Eksperimentinis Case IH ProHybrid EECVT sukonstruotas vidutinės galios klasės Case IH MXM155 Maxxum traktoriaus bazėje. Tačiau skirtingai nuo MXM Maxxum modelio traktoriaus ProHybrid EECVT, kuriame galėjo būti sumontuota hidromechaninė kombinuota (t. y. mechaninė su trijų diapazonų dinaminiu reduktoriumi) arba dinaminė pavarų dėžė, sukamasis judesys važiuoklei perduodamas per bepakopę ZF S-Matic pavarų dėžę.

Hibridinis ProHybrid EECVT jėgos agregatas sudarytas iš FPT 6 cl., 120 kW/160 AG pajėgumo turbodyzelinio variklio (didžiausias sukimo momentas – 800 Nm) ir dviejų elektros variklių, kurių vienas dirba generatoriaus režimu. Pavaros elektros variklio pajėgumas – 50 kW (67 AG).

Normaliomis sąlygomis vidaus degimo variklis suka generatorių ir per bepakopę CVT pavarų dėžę varančiuosius traktoriaus ratus. Generatorius tiekia elektros energiją imtuvams ir įkrauna akumuliatorių bateriją. Padidėjus apkrovai (pasipriešinimui traukai), ją nugalėti pasitelkiamas elektros variklis. Dėl to padidėja suminis varantiesiems ratams perduodamas sukimo momentas, atitinkamai, padidėja traktoriaus traukos galia.

Kadangi traktoriuje įrengta Full Hybrid tipo pavara, jis gali važiuoti varomas vien tik elektros variklio, tačiau tik tais atvejais, kada pakankamai įkrauta akumuliatorių baterija ir tik nedideliais atstumais, pvz., išvažiuojant arba įvažiuojant į garažą.

Elektros varikliui energija tiekiama ne tiesiogiai iš generatoriaus, o iš akumuliatorių baterijos, t. y. variklio mechaninę energiją generatorius pirmiausia paverčia elektros energija ir tik vėliau elektros variklis ją dar sykį paverčia mechanine. Nors energijos nuostoliai neišvengiami, tačiau dėl specifinių elektros variklio charakteristikų gaunamas didesnis efektas.

Tik akumuliatoriuje (beje, yra technologija, kuri leidžia vietoje akumuliatoriaus naudoti didelės talpos kondensatorius) galima sukaupti reikiamą energijos atsargą, reikalingą elektros varikliui, kad šis padėtų įveikti padidėjusią apkrovą darbo metu.

Dėl šios priežasties mašinose su hibridiniais jėgos agregatais akumuliatorių baterija yra gerokai didesnės talpos. Pavyzdžiui, traktoriuje Case IH ProHybrid EECVT 456 V įtampos, 11,5 kWh talpos akumuliatorių baterija sumontuota vietoje priekinių balastinių svorių (ji uždengta plastikiniu gaubtu). Tokio dydžio akumuliatorių baterijai kitur vietos traktoriuje paprasčiausiai nėra.

Hibridinė ProHybrid EECVT pavara itin efektyvi ne tik varikliui dirbant padidintos galios režimu, bet ir atliekant transporto darbus, nes akumuliatorių bateriją galima įkrauti regeneracinio stabdymo metu ar traktoriui riedant iš inercijos. Taip atstatoma dalis įsibėgėjimui ir judėjimui sunaudotos energijos. Tačiau sumažinti traktoriaus riedėjimo pasipriešinimo nuimant balastinius svorius negalima, nes jų vietoje – akumuliatorių baterija.

Paprastesnė ir pigesnė technologija

Paprastesnė ir pigesnė, dar nereiškia mažiau efektyvi negu minėtoji Full Hybrid tipo pavara. Kompanija „John Deere“, projektuodama E Premium modifikaciją, uždavė logišką klausimą: kiek žemės ūkio paskirties traktoriui svarbus judėjimas išskirtinai elektros pavara ir kiek dažnas bei efektyvus gali būti regeneracinis ciklas?

Traktorių E Premium orientuodama į didžiausios traukos jėgos reikalaujančias operacijas „John Deere“ visiškai pagrįstai atsisakė Full Hybrid koncepcijos pakeisdama ją pigesne ir paprastesne į Mild Hybrid panašia technologija. Beje, esminis hibridinės technologijos privalumas traktoriuje – geresnis variklio prisitaikymas prie sąlygų (didesnis elastingumas) – išsaugotas.

Pirmąkart vidutinės galios klasės modelis John Deere 7030 E Premium su tarp variklio ir transmisijos sumontuotu generatoriumi pademonstruotas 2007 m. parodoje „Agritechnica“, Vokietijoje.

Kartu su 7530 E Premium modeliu nuo 2009 m. gegužės siūloma ir mažesnės galios modifikacija 7430 E Premium. Abu jie yra modelių 7030 Premium, gaminamų Manheime, Vokietijoje, Hi-Tech klasės modifikacijos.

Supaprastintoje Mild Hybrid tipo pavaroje skysčiu aušinamas 20 kW (arba 27,2 AG) generatorius sujungtas su variklio smagračiu, kuris įrengtas tarp variklio ir transmisijos. Pavaros elektros variklio John Deere E Premium traktoriuje nėra.

Generatorius tiekia elektros energiją vidiniams ir išoriniams imtuvams. Jis negali veikti elektros variklio režimu, kad padėtų dyzeliniam varikliui sukti įeinantį transmisijos veleną.

Virš pavarų dėžės įrengtas elektros srovės keitiklis ir elektrinės pavaros valdiklis. Keitiklio paskirtis – priklausomai nuo jų apkrovos tiekti reikiamos įtampos srovę įjungtiems imtuvams.

Dviejų kontūrų aušinimo sistemos pirmojo kontūro  (skirto transmisijai ir „skystis-skystis“ tipo tarpiniam oro aušintuvui) siurbliui, ventiliatoriui ir pneumatinės stabdžių sistemos oro kompresoriui sukamasis judesys perduodamas ne nuo alkūninio veleno (ir per klampio movą, kaip yra sujungtas įprastinis ventiliatorius), o nuo atskiro elektros variklio. Nors diržinės pavaros neatsisakyta, daugiaeilis dirželis trumpesnis.

Mechaninė minėtų įrenginių pavara pakeista lankstesne, mažiau energijos reikalaujančia ir geriau prie įvairių darbo režimų prisitaikančia elektrine pavara. Todėl skysčio siurblio, ventiliatoriaus ir oro kompresoriaus sūkiai nepriklauso nuo variklio alkūninio veleno sūkių dažnio. Atsižvelgiant į aušinimo skysčio temperatūrą, keičiamas ne tik ventiliatoriaus, bet ir skysčio siurblio sūkių dažnis. Pavyzdžiui, varikliui dirbant tuščiosios eigos sūkiais skysčio siurblio našumas gali būti didžiausias. Taigi šiluma į aplinką nuvedama efektyviau varikliui dirbant net ir didelės apkrovos režimu.

Optimizavus aušinimo sistemos darbą buvo galima padidinti variklio efektyvią galią ir sukimo momentą.

Kuo didesnė variklio galia, tuo daugiau šilumos jis išspinduliuoja į aplinką. Taigi aušinimo sistemos efektyvumas (aušintuvo paviršiaus plotas, skysčio siurblio našumas, ventiliatoriaus skersmuo bei galimybė pastarųjų sūkių dažnį reguliuoti nepriklausomai nuo variklio sūkių) turi būti toks, kad spėtų atiduoti variklio išskiriamą šilumos kiekį, kurį jis dirbdamas maksimalios apkrovos režimu išspinduliuoja per 1 sekundę.

Tai yra pagrindinis John Deere E Premium traktoriuje naudojamos hibridinės pavaros skirtumas, lyginant su Mild Hybrid tipu. Pastarojoje, jei ji naudojama lengvajame automobilyje, didesnė galia gaunama elektros varikliui-generatoriui papildomai sukant transmisijos pirminį veleną.

Oro kompresorius John Deere E Premium traktoriuje įjungiamas per elektromagnetinę movą. Jei pneumatinėje stabdžių sistemoje sumažėja oro slėgis, mova įjungiama. Kitu atveju ji sukasi laisvai.

Elektros pavara leido oro kondicionieriaus kompresorių perkelti iš įprastos vietos variklio priekyje į naują vietą po traktoriaus kabina, t. y. ten, kur aplinkos temperatūra žemesnė. Kompresoriaus našumas taip pat nepriklauso nuo variklio sūkių dažnio. Didžiausiu našumu kompresorius gali veikti ir varikliui dirbant tuščiosios eigos sūkiais.

Traktoriaus gale įrengti du elektros šakučių lizdai: vienfazei (230 V, 5 kW) ir trifazei (400 V) elektros srovei. Tiesa, pirmieji pristatyti E Premium serijos traktoriai elektros energiją per šiuos lizdus galėjo tiekti tik jam stovint. Nuo gegužės mėnesio gaminamuose traktoriuose elektros srovė tiekiama ir važiuojant.

Teoriškai, turint elektrines jungtis, traktorių galima naudoti kaip mobilią elektros stotį. Beje, 1953 m. Sovietų Sąjungoje sukonstruotas pirmasis pasaulyje serijinis hibridinis (dyzelinis-elektrinis) traktorius DET-250 elektros energija galėjo aprūpinti nedidelę gyvenvietę.

Mild Hybrid tipo jėgos agregatas pastebimai geriau prisitaiko prie kintančių darbo sąlygų. Kadangi ventiliatoriaus sūkių dažnis nepriklauso nuo variklio sūkių, padidintos galios režimas išjungiamas tik variklio sūkių dažniui sumažėjus iki 1 250 min.-1 Įprastiniuose Premium serijos traktoriuose, siekiant išvengti variklio perkaitinimo, šis režimas išjungiamas esant 1 700 min.-1 sūkių dažniui.

Reakcijos laikas į apkrovos padidėjimą – ne mažiau svarbus parametras. Padidintos galios režimas hibridiniame jėgos agregate įjungiamas 15 proc. greičiau.

Dėl efektyvesnės aušinimo sistemos variklio pajėgumas jam dirbant padidintos galios režimu E Premium traktoriuose yra 10 AG didesnis, t. y. galios padidėjimas siekia 35 AG vietoj 25 AG (pagal EC 97/68 standartą) įprastiniuose 7430 ir 7530 Premium modeliuose.

Pirmaisiais agregatais, specialiai pritaikytais E Premium serijos traktoriams, tapo pakabinamos „Rauch“ (taip pat „Kuhn“) ir „Amazone“ firmų išcentrinės trąšų barstomosios, turinčios ne mechaninę ar hidrostatinę, o elektrinę diskų pavarą. Pastaroji užtikrina reikiamą diskų sūkių dažnį, nepriklausantį nuo traktoriaus variklio sūkių.

Elektros pavara leidžia barstomąją tvirtinti arčiau traktoriaus. Jei ji didelės talpos, tvirtinant barstomąją arčiau traktoriaus, priekyje reikalinga mažesnė masės atsvara. Supaprastėja barstomosios prijungimo ir nustatymo operacijos.

***

• Hibridiniuose traktoriuose ir automobiliuose naudojama dviejų tipų (mechaninės ir elektrinės) pavarų kombinacija. Kiekvienos pavaros privalumai realizuojami, atsižvelgiant į mašinos darbo sąlygas. Priklausomai nuo konstrukcijos, pavaros gali veikti atskirai ir kartu. Pastarojo tipo pavaros dar vadinamos sinergetinėmis.
• Kiekviena iš pavarų turi atskiras energijos talpyklas: mechaninę – degalų baką, elektrinę – akumuliatorių bateriją.
• Ateityje mechaninę pavarą, vidaus degimo variklį pakeis galvaniniai degalų elementai.
• Didžiausias hibridinės pavaros efektyvumas yra tik kartu su bepakope pavarų dėže.

***

Hibridinės pavaros traktoriuje privalumai

• Didesnės variklio prisitaikymo prie kintančių sąlygų galimybės: spartesnis atsakas į padidėjusią apkrovą, didesnė galia ir sukimo momentas.
• Iki 5 proc. mažesnės degalų sąnaudos.
• Nesunkiai pasiekiami Etapo III B/Tier 4 emisijų reikalavimai (L kategorijos varikliams įsigalėsiantys 2011 m., M kategorijos – 2012 m.).
• Mechaninė papildomų įrenginių pavara pakeista lankstesne elektrine: siurblių ir kompresorių našumas nepriklauso nuo variklio sūkių dažnio; esant galimybei montuoti įrenginius naujose vietose, atsiveria komponavimo laisvė; mažesnė šiluminė apkrova variklio priekinėje dalyje.
• Variklio galia perduodama keturiais srautais: transmisijai, GTV, hidraulinei sistemai ir elektros pavarai; atsisakius GTV ir hidraulinės pavaros sukamojo judesio, valdymo signalų perdavimo, supaprastėja įrenginių prijungimas ir nustatymas.
• Galimybė važiuoti vien elektros pavara (tik esant Full Hybrid tipui).
• Geresnės dinaminės savybės.
• Prijungto įrenginio elektros variklio sūkiai nepriklauso nuo traktoriaus variklio sūkių dažnio.
• Traktorių galima naudoti kaip mobilią elektros stotį.