Tractoare hibride

Monitoarele vehiculelor rutiere întâlnesc din ce în ce mai multe forme de propulsie electrică hibridă pentru autoturisme și vehicule comerciale. Modurile de acționare hibridă electrică pot fi împărțite în următoarele grupe principale: electrică pură; hibrizi; și celulă de combustibil. Posibilitatea utilizării propulsiei electrice este, de asemenea, ridicată în cazul tractoarelor și instrumentelor agricole. În viitorul apropiat se așteaptă desfășurarea pe scară largă a tractoarelor hibride diesel-electrice.

Utilizarea combustibililor convenționali derivați din petrol (benzină, motorină) pentru a conduce vehicule va fi dificilă în 40-60 de ani. Rezervele de petrol vor fi epuizate și de aceea omenirea caută noi oportunități energetice pentru propulsia vehiculelor. Diversitatea soluțiilor alternative va caracteriza perioada următoare. În cazul mașinilor agricole, începe și căutarea de soluții viitoare. În viitorul apropiat, utilizarea sistemelor electrice de acționare hibridă va apărea și în cazul tractoarelor și al mașinilor agricole. Modurile de acționare hibridă electrică pot fi împărțite în următoarele grupe principale: electrică pură; hibrizi; și celulă de combustibil. În cazul tractoarelor, este de așteptat ca acționările hibride să se răspândească în viitorul apropiat pentru a reduce utilizarea propulsorilor convenționali.

Curățați acționarea electrică

Acționarea electrică curată a tractoarelor a avut loc pentru prima dată în anii 1930 în Uniunea Sovietică ca parte a unui plan major de electrificare. Esența acestei soluții a fost aceea că suprafețele mari de producție agricolă au fost alimentate dens cu o rețea de linii electrice de transmisie, iar tractorul acționat de un motor electric a desfășurat desfășurarea și înfășurarea a sute de metri de cablu din tamburul cablului de pe tractor. Costul ridicat al construirii rețelei și mobilitatea limitată a tractorului au permis eșecul acestei soluții sovietice.

În zilele noastre, în agricultură, propulsia electrică pură este utilizată doar pentru vehiculele mai mici, în care motorul electric care acționează propulsia este alimentat de energia obținută dintr-o baterie încărcată de la rețea. Avantajul acestei soluții este o operație curată, fără zgomot, fără benzină sau motorină. De exemplu, Figura 1 prezintă un vehicul universal electric John Deere GATOR-TE 4 × 2. Roțile din spate ale acestui vehicul sunt alimentate de un motor electric de 4,6 kW cu curent continuu alimentat de o baterie de 48 V, printr-o transmisie mecanică cu variație continuă. Vehiculul are o viteză maximă înainte de 25 km/h și 15 km/h înapoi. Transportul universal GATOR-TE de 227 kg este potrivit pentru utilizarea în ferme de animale, depozite și clădiri. Cu acumulatorul său performant, poate fi utilizat toată ziua. Bateriile complet descărcate (8 troieni 105) pot fi încărcate de la rețea în 12 ore.

Imaginea 1: John Deere GATOR-TE 4 × 2 Vehicul universal electric

Acționarea electrică curată a parcului electric din Ungaria este dificil de rezolvat nu numai din cauza stocării bateriei de energie electrică, ci și, printre altele, deoarece capacitatea de serviciu a parcului de tractoare din Ungaria necesită aprox. ar fi necesare două centrale nucleare Paks și jumătate. Cu toate acestea, tractoarele electrice mici și încărcătoarele cu energie electrică pură pot fi deja utilizate în avantaj în fermele majore de muncă și de creștere a animalelor.

Unitate hibridă

Denumirea de unitate hibridă este utilizată în mod obișnuit atunci când se utilizează mai multe tipuri de energie pentru funcționarea de bază a vehiculului. Tractoarele hibride există de multă vreme în agricultură deoarece, pe lângă sistemul mecanic, transmisia energiei hidraulice este adesea utilizată pentru a conduce tractorul și pentru a întreține utilajul. Astăzi, grupul de tractoare hibride include mașini cu sistem diesel-electric. Aceste acționări pentru tractoare pot fi împărțite în două grupuri mari, cum ar fi acționările hibride seriale și paralele.

Unitate hibridă serial

Pentru agricultură, atât timp cât este disponibil motorina, cea mai evidentă soluție de propulsie este utilizarea unei propulsii hibride diesel-electrice în linie. În această soluție (Fig. 1), motorul diesel acționează doar un generator electric, iar motorul electric utilizat pe roată mută tractorul sau mașina agricolă mobilă cu energia electrică generată.

Figura 1: Schema unei acțiuni hibride seriale diesel-electrice

Avantajul unei acționări diesel-electrice este că unitatea diesel-motor-generator poate fi acționată în cel mai bun domeniu de eficiență, lanțul de acționare constând dintr-o linie electrică simplă și electronice de control. Cu controlul motoarelor electrice, se pot realiza schimbări treptate ale vitezelor, precum și acționarea celor patru roți cu suspensie cu roți independente și toate modalitățile de direcție a tractorului pot fi proiectate cu ușurință.

Există mai multe exemple de motor de propulsie hibrid de serie diesel-electric de înaltă eficiență și simplu. Categoria tractorului universal de performanță redusă include, de exemplu, „RIGITRAC EWD 120” tractor agricol hibrid diesel în linie, prezentat în Figura 2. Motor diesel de 91 kW, sistem hidraulic și generator de curent alternativ de 85 kW.

Figura 2: tractor hibrid Rigitrac EWD serie 120

Schweizer Traktorenherstellers Sepp Knüsel, o mică afacere de familie din Elveția, produce în fiecare an câteva zeci de unități de tractor hibrid cu acționare în serie. Acest tractor cu tracțiune integrală și cu tracțiune integrală este alimentat de 4 motoare electrice cu butuc de curent alternativ de 33 kW. Structura transmisiei de putere a tractorului este ilustrată în Figura 2. Roțile cu suspensie independentă (Fig. 3) au suspensie hidropneumatică, viteza tractorului este de 0-65 km/h.

Figura 2: Schema transmisiei de putere a tractorului EWD 120

Figura 3: Roată independentă cu suspensie a roții tractorului EWD 120

Cunoscuta fabrică de tractoare din Belarus din Ungaria produce un tractor hibrid universal diesel-electric de serie medie-grea cu denumirea de tip „MTZ 3023” (Fig. 4). Tractorul cu tracțiune integrală are un motor diesel de 220 kW și un generator electric de 172 kW. Sistemul hidraulic al tractorului este acționat cu 48 kW. Tractorul folosește sisteme electronice moderne de control pentru o eficiență generală bună și un consum redus de combustibil.

Figura 4: Tractor hibrid universal MTZ 3023 220 kW

În 2010, fabrica SUA Caterpillar a produs primul buldozer hibrid alimentat cu curent alternativ din lume. Construcția și eficiența buldozerului hibrid în linie diesel-electric Caterpillar D7E de 173 kW (235 CP) sunt ilustrate în Figura 3. Acest mod de propulsie va fi utilizat și pentru tractoarele cu șenile grele. Figura 3: Buldozer hibrid diesel-electric Caterpillar D7E

Unitate hibridă paralelă

În cazul unui tractor hibrid paralel, motorul diesel acționează tractorul prin putere mecanică, dar lanțul de acționare este, de asemenea, alimentat de o acționare electrică sau furnizează electricitate uneltei agricole mobile.

Încărcătorul frontal Volvo Hybrid L220F a fost introdus în 2007. Mașina are o unitate hibridă complet paralelă, deoarece energia electrică stocată în baterie este utilizată de unitatea generator-motor electric ca unitate auxiliară. Acest lucru face posibilă creșterea semnificativă a cuplului motorului diesel în intervalul de viteză redus (Figura 4). La sarcină redusă, generatorul încarcă bateria. Performanța sporită și consumul de combustibil cu 10% mai mic arată viabilitatea unor astfel de sisteme hibride.

Figura 4: Încărcător frontal Volvo Hybrid L220F cu motor diesel de 259 kW și motor electric de 50 kW

În 2007, la expoziția Agritechnica din Hanovra, John Deere a prezentat două tractoare premium speciale (7030E, 6210 RE) cu acționare paralelă micro-hibridă. Microbridul 6210 RE, care face parte din familia de modele de succes John Deere 6R, este disponibil și în Europa. O caracteristică comună a acestor tipuri de tractoare este aceea că energia electrică furnizată de generatorul electric localizat după ce motorul diesel este acționat, printre altele, de ventilatorul de răcire al motorului diesel, de acționarea pompei de apă, de aerul condiționat al cabinei.

Noutatea reală a acestei unități micro-hibride este că puterea electrică disponibilă de 20 kW poate fi utilizată pentru a conduce un instrument (Figura 5). Valorile tensiunii tractorului sunt de 12 V sau 24 V c.c., 230 și 400 V c.a. pentru 7030E de înaltă tensiune și 110 și 230 V c.a.pentru versiunea europeană a 6210 RE.

Figura 5: Tractor micro hibrid John Deere 6210 RE cu distribuitor de îngrășăminte electric Rauch Axis EDR

Merlo Turbofarmer 40.7 încărcător telescopic cu braț hibrid este primul motor electric universal hibrid. Această mașină poate fi acționată și cu o acționare hibridă paralelă pur electrică sau diesel-electrică. Mașina proiectată pentru încărcare poate fi utilizată pentru lucrări agricole, chiar și pentru arat. Funcționează în modul electric pur cu o baterie litiu de 30 kWh, care poate fi încărcată și de la rețea (Fig. 6).

Figura 6: Centrale electrice universale hibride Merlo Turbofarmer 40.7

În modul hibrid paralel, mașina este alimentată de un motor diesel cu 4 cilindri, 55 kW, care încarcă simultan bateria continuu. Ca încărcător, acesta poate fi acționat numai într-un spațiu închis într-un mod electric (cum ar fi o fermă de animale) fără a polua aerul. De asemenea, este posibil să treceți la o acționare pur electrică în secțiunile de mers în gol. În modul hibrid, puterea nominală de 100 kW a motorului diesel poate fi redusă la jumătate - fără a limita puterea de încărcare - cu economii semnificative de motorină.

Electrificarea mașinilor agricole este susținută, de exemplu, de noul sistem electric de 70 kW, instalat în cutia de viteze a tractorului ZF-TERRA + (Figura 5). Cu acest sistem, acționarea hibridă paralelă a tractorului poate fi proiectată cu ușurință și se poate realiza alimentarea cu energie a instrumentelor.

Figura 5: Tractorul hibrid paralel poate fi proiectat cu ușurință cu sistemul ZF-TERRA +

Alimentare cu energie electrică pentru utilaje agricole mobile

Este necesară electricitatea pentru a opera noua generație de mașini agricole mobile. Majoritatea tractoarelor hibride diesel-electrice pot satisface nevoia de servicii energetice. Dacă tractorul nu are sursa de alimentare necesară pentru mașinile mobile, această nevoie poate fi satisfăcută ca o soluție temporară, de exemplu cu un generator extern acționat de arborele cardanic.
GKN Walterscheid GmbH și GKN Land Systems au prezentat o unitate generatoare pentru generarea a 100 kW de energie electrică la expoziția Agritechnica din 2013 numită „ePower-Generator” la expoziția din 2013. Generatorul cu radiator poate fi conectat la suspensia din față a tractorului cu un cuplaj rapid și conectat la arborele cardanic cu o articulație universală (Fig. 7). Pentru a utiliza echipamentul, este necesar un tractor cu o putere a motorului de 140-200 kW. Figura 7: GKN Walterscheid montat pe un tractor „ePower-Generator”

Acționare electrică cu celulă de combustibil

În domeniul propulsiei vehiculelor, marea promisiune a viitorului este așa-numita propulsie electrică cu pilă de combustibil. Esența acestui lucru este, mai simplu spus, că prin combinarea hidrogenului și oxigenului într-o celulă specială, poate fi generat un curent electric, prin care vehiculul poate fi condus de un motor electric. New Holland introduce în 2009 un tractor experimental cu celule de combustie promițătoare (Figura 8).

Figura 8: Tractor New Holland T6000 NH2TM cu sistem de celule de combustibil de 78 kW

Sistemul de celule de combustibil NH2 ™ încorporat în seria T6000 furnizează 78 kW (106 cai putere). Mai multe probleme trebuie încă rezolvate pentru implementarea practică a propulsiei electrice a pilelor de combustibil, cum ar fi producția economică și stocarea hidrogenului și construirea unei infrastructuri foarte scumpe. În paralel cu scăderea rezervelor de petrol, răspândirea sistemului de celule de combustibil în tehnologia tractoarelor este de așteptat să înceapă în 30-40 de ani.

Proliferarea tractoarelor hibride va revoluționa sistemul de transmisie al tractorului și acționarea mașinilor agricole.

Dr. Vilmos Varga
SZIE Facultatea de Inginerie Mecanică, Departamentul Tehnologia Vehiculelor, Gödöllő