Automobilių pramonėje, ypač lengvųjų automobilių srityje, hibridinės technologijos jau yra įprastas reiškinys. Kokie yra argumentai hibridų naudai? Tai paprasta fizikos ir verslo matematika. Jei galite susigrąžinti (atgauti, regeneruoti) bent dalį energijos ir ją kaupti, kad galėtumėte panaudoti vėliau, sumažindami varikliui sukurti reikalingą galią, tai yra gerai.

Priklausomai nuo taikymo srities, yra ir kitų pranašumų. Tai mažesnis kai kurių konstrukcinių elementų nusidėvėjimas, vienas jų - ratinių mašinų stabdžių trinkelės. Mažesnė variklio apkrova jį eksploatuojant taip pat lemia ir mažesnį jo dilimą. Kai kurios hibridų konfigūracijos leidžia varikliui veikti daliniuose, efektyvesniuose apkrovos ir greičio režimuose.

Lengvųjų automobilių pirkėjai neturi plataus hibridinio automobilio koncepcijos pasirinkimo, praktiškai visais atvejais tai būna elektrinis hibridas. Kokia situacija yra ne kelių mašinų sektoriuje: žemės ūkio technikos, statybinių, komunalinių ir kt. mašinų? Šių mašinų pirkėjai turi didesnį pasirinkimą. Gamintojai pristato hibridus, kurie naudoja tiek hidraulinę, tiek ir elektrinę galią degalų sąnaudoms ir deginių emisijai mažinti bei eksploatacinėms savybėms gerinti.

Elektrinės ir hidraulinės hibridinės sistemos

Dauguma elektrinių ne kelių mašinų yra reliatyviai mažos mašinos, kurioms reikia nedidelės galios, palyginti su kai kuriais statybų ir žemės ūkio monstrais. Pastebėtina, kad hibridai tinka tais atvejais, kai reikalinga didesnė galia. Dauguma specialistų teigia, kad grynai elektrinis veikimo režimas yra tinkamas tik mažoms mobilioms ne kelių mašinoms, mažesnės kaip 19 kW galios. Tik hibrido koncepcija nuo „micro" iki „mild" ir visiško hibrido yra vertinama kaip galima daugeliui pritaikymo atvejų. Tai iš esmės lemia papildomos išlaidos akumuliatorių baterijoms, be to, laikas, reikalingas joms įkrauti.

Visų klasių ne kelių mašinose elektrifikuotos pavaros susiduria su hidraulinių hibridų konkurencija. Elektrinių akumuliatorių baterijų paketai užima daugiau erdvės, palyginti su hidrauliniais komponentais. Įdiegus elektrinės pavaros sistemą, labai padidėja išlaidos, mašina tampa sudėtinga, o tai bazinei mašinai paprastai nebūdinga. Hidraulikos galios tankis, lyginant su elektrinių sistemų, yra pranašesnis 10:1 ar daugiau, t. y. daugiau nei pakankamas duoti iššūkį elektrinėms sistemoms. Daugelis darbo mašinų reikalauja staigaus galios šuolio, o jį suteikti elektros varikliu gali būti sunku. Dar vienas minusas - akumuliatorių išsikrovimo ir įkrovimo greitis. Jei energijos naudojimo greitis yra didelis, baterijų technologijoms iššūkį meta savybė greitai kaupti energiją ir gana greitai ją atiduoti, kad mašinos darbas būtų efektyvus. Šiuo atveju hidraulika turi aiškų privalumą, nes hidrauliniai akumuliatoriai gali būti įkraunami ir iškraunami ekstremaliai greitai, tiekdami labai didelę galią. Nors elektrinių akumuliatorių baterijų galia turi ribas, tačiau jų vaidmuo gali nuolat plėstis. Pasiekimai automobilių srityje mažina bendrą sistemos kainą.

Turbūt įdomiausias hibridinių ne kelių mašinų niuansas yra didelė konstrukcinių sprendimų ir energijos kaupimo būdų pasirinkimo įvairovė. Pavyzdžiui, kai kuriuose ratiniuose John Deere krautuvuose, tokiuose kaip 644K ar 944K, energija nekaupiama visiškai. Stabdant regeneruojama energija panaudojama iškart. Kai buvo kuriama ši sistema, energijos kaupiklis (pvz., akumuliatorių baterijos) buvo brangiausias komponentas ir jo eliminavimas sumažino kainą, tačiau esminiai pranašumai išliko.

„John Deere" pasirinko elektrinio hibrido technologiją dėl keleto priežasčių. Viena jų - mažesnės degalų sąnaudos, nors yra ir kitų motyvų: variklio sukimosi greitis atsietas nuo mašinos važiavimo greičio, ratų praslydimo ir traukos jėgos kontrolė, ilgaamžiškumas ir naudojimo paprastumas.

Atliekant sunkius kasimo ar stūmimo darbus, 944K krautuvas su ratų atskirais elektros varikliais gali kontroliuoti ratų prasisukimą, kaip tai daroma šio dydžio klasės konkurentų krautuvuose. Tai mažina padangų pažeidimus ir atitinkamai išlaidas padangoms. Krautuve naudojami alyva aušinami kintamos srovės varikliai ir generatoriai be šepetėlių, kurie yra apsaugoti nuo purvo ir drėgmės. Naudojant elektros variklius, galima supaprastinti transmisiją, nes atbulinė eiga gaunama tiesiog pakeičiant variklių sukimosi kryptį.

Tokio tipo hibridinėse mašinose dyzelinis variklis yra atjungtas nuo ratų. Jis suka generatorių, kurio gaminama elektros energija suka ratus ir įkrauna akumuliatorių bateriją. Tai sudaro sąlygas dyzeliniam varikliui veikti asinchroniškai vienu efektyvesniu sukimosi dažniu. Taigi, variklis gali veikti tik 1 800 min.^-1 ar 1 500 min.^-1 pastoviu greičiu, eliminuojant variklio greičio kitimus, o tai daro jį dar efektyvesnį ir mažina dilimą.

Firmos „Hitachi Construction Machinery" hibridinis ekskavatorius ZH210 yra hibrido hibride pavyzdys. Siekiant pagerinti mašinos efektyvumą, jame sujungtos abi sistemos - ir hidraulinė, ir elektrinė. Jame įstatytas svyruojantis variklis, kuris strėlės stabdymo metu generuojamą energiją konvertuoja į elektros energiją. Galios valdymo modulis šią energiją perduoda ir kaupia kondensatorių bloke, kuris padeda varikliui įgreitinti ar judinti ekskavatoriaus darbines dalis. Kompanijos teigimu, toks sprendimas leido sumažinti degalų sąnaudas iki 30 procentų.

Kompanijos „Caterpillar" specialistai taip pat nurodo, kodėl elektriniai hibridai ne visada yra pirmas pasirinkimas. 2009 m. „Caterpillar" sukūrė elektrinio ir hidraulinio hibridinio ekskavatorių prototipus. Po intensyvių bandymų sprendimas jiems buvo aiškus. Elektrinis hibridas yra gerokai brangesnis negu hidraulinė hibridinė sistema, vadinasi, laukiamas atsipirkimo laikas bus ilgesnis. Kita svarbi aplinkybė yra sistemos sudėtingumas ir kaip ji veikia bendras savininko išlaidas. Hidraulinėje sistemoje naudojami siurbliai, skysčiai, vykdymo mechanizmai - komponentai, kurie gerai žinomi klientams ir prekybos agentams. Jų tiekimas lengvas per gerai organizuotas tiekimo grandines. O elektrinių hibridų komponentų tiekimas dar nėra gerai organizuotas.

„Caterpillar" hidraulinės hibridinės sistemos pagrindinis konstrukcinis blokas yra adaptyvios valdymo sistemos vožtuvas, kuris iš tikrųjų yra sudėtingas energijos taupymo įrenginys. Šis įrenginys buvo kuriamas 15 metų. Jis pakeičia vienos ritės vožtuvus, kurie valdo skysčio srautą iš siurblio į cilindrą ir iš cilindro į didelio slėgio hidraulinį akumuliatorių. Adaptyvios valdymo sistemos vožtuvu elektroninis valdymo blokas, nepriklausomai vienas nuo kito, valdo srautą iš siurblio į cilindrą ir iš cilindro į akumuliatorių. Vien tik panaudojus šį vožtuvą sutaupyta iki 15 proc. degalų, o sistemą papildžius specialiu Cat elektroniškai programuojamu siurbliu, galima sutaupyti ir 20-25 proc. degalų. „Caterpillar" specialistai pabrėžia, kad jie neseka standartinių tendencijų ar nuomonių, kad hibridai būtinai turi būti elektriniai su elektros energijos kaupimo įranga.

„Dana Holding Corporation" pristatė Spicer PowerBoost sistemą - naują seriją integruotų hidraulinių hibridinių pavarų ne kelių transporto rinkai. Sistema kaupia paprastai dingstančią kinetinę energiją visoje transmisijoje ir hidraulinėje sistemoje ir po to šią atgautą energiją naudoja mašinos pavarai, o tai gali sumažinti degalų sąnaudas nuo 20 iki 40 proc., palyginti su įprastų koncepcijų pavaromis, priklausomai nuo pritaikymo rūšies ir darbo ciklo. Be to, naudojant šią sistemą, dėl didesnio mašinos našumo, mažesnių išlaidų priežiūrai ir galimybės panaudoti mažesnį dyzelinį variklį galima sumažinti bendras eksploatacines išlaidas. Spicer PowerBoost sistema gali būti įdiegta esamų konstrukcijų mašinose, atliekant minimalius pakeitimus. Sistema gali būti naudojama pagal nuoseklaus arba lygiagretaus hibrido koncepciją.

PowerBoost energijos valdymo sistema įvertina visą mašinos energijos poreikį, numato būsimus darbo agregatų veiksmus ir nustato efektyviausius operacijų vykdymo kelius. Kai mašinos dyzelinis variklis veikia maža apkrova arba mašina yra stabdoma, hidraulinis akumuliatorius paima hidrostatinę energiją iš transmisijos ir ją kaupia. Kai mašinai reikia papildomos energijos, pvz., po sustojimo, kroviniui pakelti, kaušui į kaupą įsmeigti ar kitam būtinam darbui atlikti, energijos valdymo sistema naudoja akumuliatoriuje sukauptą energiją kaip papildomą galios šaltinį, taip padidindama mašinos galią bei našumą ir sumažindama degalų sąnaudas.

Sistema Spicer PowerBoost gali sumažinti variklio darbo tuščiąja eiga trukmę, išjungdama dyzelinį variklį ir akumuliatoriuje sukauptą energiją panaudodama atlikti funkcijoms, kurioms reikia sąlyginai mažai energijos, tokioms kaip tikslus pozicionavimas, lengvas darbas ar lėtas judėjimas. Taip pat galima hidraulinė „pradėti-sustoti" („start-stop") funkcija. Spicer PowerBoost sprendimas idealiai tinka mašinoms, kurių darbo ciklui būdingi staigūs pagreitėjimai ir stabdymai, pakėlimas ir nuleidimas. Šios sistemos pritaikymo pavyzdys gali būti „Monitou" hibridinis teleskopinis krautuvas MLT960 Eco-Booster, skirtas žemės ūkiui. Siekdamos sumažinti bendras eksploatacines išlaidas ir poveikį aplinkai, kompanijos „Manitou" ir „Dana" pastaruosius metus glaudžiai bendradarbiavo optimizuojant mašinos savybes.

Hibridinių mašinų kūrimą skatina agregatų elektrifikavimas

Žemės ūkio sektoriaus mašinų hibridizavimą skatina ir didėjantis agregatų elektrifikavimas. Traukos mašina, tokia kaip traktorius, tampa ne tik mechaninės ar hidraulinės galios, bet ir elektrinės galios tiekėja. Tokio elektrifikavimo ir hibridizavimo pavyzdys gali būti ZF koncerno sistema TERRA+. Tai yra įdomi elektrinio hibridizavimo idėja, apimanti į transmisijos korpusą integruotą generatoriaus modulį, skirtą išorinių elektrinių agregatų pavarai. Kaip papildymą prie TERRA+ ZF siūlo valdymo bloką sumaniam energijos ir hibrido valdymui. Esant šiam blokui, išvengiama mašinos veikimo mažu efektyvumu, taigi pasiekiami geriausi darbo rodikliai.

ZF TERRA+ papildžius energijos kaupimo moduliu, tokiu kaip akumuliatorių baterijos, gaunama lygiagretaus „mild" hibrido sistema. Šis papildymas leidžia realizuoti papildomas hibrido funkcijas, tokias kaip „sustoti-pradėti", liekant veikiantiems išoriniams įrenginiams, trumpalaikį galios padidinimą ar variklio išjungimą. Generatoriaus sistemą išplėtus iki hibridinės sistemos ir kartu naudojant išmaniąją energijos valdymo sistemą, dar daugiau galima sumažinti degalų sąnaudas, deginių emisijas ir pagerinti mašinos darbo rodiklius.

Be abejo, hibridinės sistemos didina mašinos kainą, todėl, be visų privalumų, svarbus veiksnys yra atsipirkimo laikas. Dabartinės mažos degalų kainos nepadeda plėsti nišos, kuriose hibridai teikia rentabilų sprendimą. Žema degalų kaina turi neigiamos įtakos atsipirkimo trukmei. Tačiau degalų kainos kinta - ne tik mažėja, bet gali ir didėti. Galbūt tai yra priežastis, kodėl naujų hibridinių gaminių skaičius didėjo net 2015 metais, naftos kainoms pasiekus rekordines žemumas. Taip pat nėra garantijos, kad pasaulinė naftos kaina išliks maža.

Kitas veiksnys yra ilgas laukiamas įrenginio naudojimo laikas. Gali reikėti 6-10 metų, kad mažesnės degalų sąnaudos atpirktų papildomas išlaidas, bet tai yra priimtina, jei mašinos naudojimo laikas siekia 15 ar 20 metų.