Комплектующие

А ведь требования Stage I/Tier 1 вступили в силу только в 1999 г. И наверняка нормы 2014 г. не окончательные.

В Европе разрабатываются различные способы измерения уровня токсичности отработавших газов. Европейская комиссия вместе с представителями промышленности создали Объединенный исследовательский совет (JRC) по разработке портативных систем измерения отработавших газов (PEMS). Идея заключается в том, чтобы кроме сертифицирования новых двигателей измерять токсичность их отработавших газов (ОГ) в процессе эксплуатации.

Это звучит обманчиво легко, но такое устройство занимает определенный объем и его нужно разместить где-то на машине. PEMS должно замерять и регистрировать в реальном времени уровни содержания в ОГ различных соединений, включая окись углерода, углекислый газ, окислы азота и летучие углеводороды. Система PEMS также должна замерять и другие параметры, включая обороты двигателя, крутящий момент и температуру охлаждающей жидкости; определять местоположение транспортного средства и скорость движения, а также метеорологические данные, такие как температура и влажность воздуха и атмосферное давление.

Идеально это устройство должно быть небольшим, иметь малый вес и легко монтироваться. Оно также должно быть достаточно прочным для использования в сложных условиях строительства.

В настоящее время проект Европейской комиссии находится на стадии разработки. ТЭО и JRC также работают над обработкой результатов испытаний опытных образцов устройства. К началу 2010 г. группа будет в состоянии запустить несколько пилотных программ с участием ряда производителей и различных видов оборудования.

Если технология PEMS окажется работоспособной, законодательство обяжет производителей двигателей и внедорожных машин внедрять ее, но это, конечно, в будущем. Тем временем перспектива введения в 2011 г. требований StageIIIB/промежуточные Tier 4 для двигателей мощностью 130-560 кВт заставляет специалистов уже сейчас сосредоточить внимание на решении проблем токсичности ОГ двигателей этого класса. Сложной задачей является снижение почти на 90% содержания твердых частиц. Производители двигателей будут использовать ряд технологий для достижения этой цели, хотя на данном этапе многие производители ограничиваются заявлениями общего характера и не могут предоставить конкретные двигатели, соответствующие этим нормам.

Согласно мнению директора по маркетингу фирмы Perkins Аллистера Дениса, одной из новых тенденций является то, что все двигатели придется оснащать турбонаддувом, и компания рассматривает вопрос об установке на некоторых моделях двухступенчатых турбонагнетателей. Кроме снижения токсичности ОГ эти агрегаты увеличивают мощность и приемистость двигателя.

Рециркуляция охлажденных отработавших газов (EGR), так же как и применение турбонагнетателей, помогла обеспечить соблюдение требований Stage IIIA/Tier 3 и Stage IIIB/промежуточныое Tier 4 и позволит в будущем за счет повышения мощности двигателей снизить уровень окислов азота в ОГ.

Но более современной технологией очистки ОГ является использование фильтров твердых частиц (DPF). Фильтр состоит из цилиндрического корпуса, в котором находятся блоки, имеющие сотовую структуру. Фильтр устанавливается в системе выпуска машины и задерживает твердые частицы.

Со временем эти частицы (сажа) накапливаются в фильтре, и их требуется каким-то образом выжигать, чтобы не увеличивалось сопротивление в системе выпуска и не уменьшалась мощность двигателя. В некоторых DPF на поверхность блоков наносят материалы-катализаторы, которые способствуют протеканию реакции окисления сажи в процессе нормальной работы двигателя. Такой процесс обычно называют «пассивной регенерацией». В фильтрах других конструкций или на других режимах работы для выжигания сажи в фильтр впрыскивается топливо – это называется «активной регенерацией».

Высокое содержание серы в топливе может мешать регенерации, и для того, чтобы удовлетворять требованиям Stage IIIB/промежуточные Tier 4, в ЕС и США будут ограничивать содержание серы в топливе для внедорожных машин (10-50 частей серы на миллион частиц).

Различные требования и нормы токсичности в разных странах будут «головной болью» для производителей дорожно-строительных и прочих специальных машин, которым дешевле и проще было бы изготавливать одинаковые модели техники для всех рынков сбыта. Они должны будут производить машины с двигателями Stage IIIB/промежуточные Tier 4 для рынков ЕС и США, но также выпускать и варианты для остальных регионов мира, где используется топливо с высоким содержанием серы. Как сказал г-н Денис, «производители спецтехники должны учитывать различия в качестве топлива в разных регионах, если они производят технику на экспорт». А если подержанная машина, отвечающая нормам Stage IIIB/промежуточные Tier 4, будет продана ее европейским или американским владельцем в регион мира, где используется топливо с высоким содержанием серы? Если эту машину не переоборудовать соответствующим образом, последствия могут быть катастрофическими: выйдет из строя DPF и двигатель.

Этим вопросом занимались специалисты компании John Deere Power Systems. Менеджер планирования продукции фирмы Дуг Лаудик сообщил: «Производители спецтехники, несомненно, должны предусматривать выпуск двух модификаций машин, но мы также разрабатываем комплектацию «de-tier» для переоборудования машин, поставляемых в регионы мира, где не действуют нормы Stage IIIB/промежуточные Tier 4».

Согласно г-ну Лаудику, в комплектации «de-tier» DPF демонтируется с машины и заменяется обычной системой выпуска, также некоторые изменения вносятся в программу электронной системы управления двигателем.

Но если оставить эти вопросы в стороне, главной проблемой, стоящей сегодня перед производителями спецтехники, является размещение всех этих дополнительных компонентов на машине.

Как сказал г-н Денис, «фактически все проблемы связаны с тем, что установка DPF и двухступенчатых турбонагнетателей увеличивает габариты машины».

Это высказывание повторил г-н Лаудик: «Может быть, впервые специалисты проектируют машины, начиная с компоновки двигателя».

Со своей стороны, фирма John Deere будет разрабатывать свои двигатели Stage IIIB/промежуточные Tier 4 на основе существующих моделей Power Tech Stage IIIA/Tier 3. Все основные технологии уже используются в их конструкции: EGR с промежуточным охлаждением, впрыск топлива под большим давлением и турбонагнетатели с изменяемой геометрией.

Исходя из того, что остается 3 года до введения законодательства Stage IIIB/промежуточные Tier 4 для двигателей 130-560 кВт, вопрос о том, как производители будут размещать эти более громоздкие и сложные двигатели на своих машинах, становится неотложным. Сегодня, однако, таких двигателей на рынке почти нет.

Исключение составляет фирма Cummins, которая в марте 2008 г. на выставке ConExpo в Лас-Вегасе представила свой первый двигатель следующего поколения мощностью 224 кВт Tier 4 QSB6.7. Выступая на презентации двигателя, президент компании Джо Лури подчеркнул трудности, связанные с удовлетворением новых требований: «Требования Tier 4 по выбросам могут быть самой большой проблемой, с которой столкнулась отрасль. Они равны двум предыдущим Tier вместе взятым, и следующие требования 2014 г. приведут к появлению двигателей практически с нулевой токсичностью ОГ».

EGR с промежуточным охлаждением и система впрыска Common Rail высокого давления способствуют снижению образования окислов азота в двигателе QSB6.7 благодаря уменьшению температуры сгорания. Двигатель комплектуется фильтром твердых частиц собственной разработки, которому компания придает большое значение.

В отличие от других производителей двигателей, Cummins не покупает и устанавливает изделия, подобные DPF, а производит их сама. По информации фирмы, это позволяет обеспечивать их наилучшее соответствие условиям эксплуатации. Сюзанна Харрисон, исполнительный директор фирмы Cummins Industrial Engineering, сказала: «Фильтр твердых частиц для Tier 4 имеет исключительно прочную конструкцию, которая способна выдерживать большие ударные нагрузки и вибрации».

Она продолжила: «Компактная конструкция с возможностью выбора ориентации впускного и выпускного отверстий позволяет устанавливать фильтр твердых частиц Cummins на различные виды спецтехники. Вместе с фирменной прямоточной системой фильтрации воздуха и системой рециркуляции ОГ фильтр твердых частиц в системе выпуска входит в комплектацию двигателя Tier 4».

Другой особенностью, которую подчеркивает фирма Cummins, является то, что, ее новые двигатели будут более сложными, но это не уменьшит их надежности. Фирма заявляет, что до 2011 г. будут проведены лабораторные испытания новых двигателей в течение 100000 часов и 50000 часов – эксплуатационные испытания.

«Я предлагаю всем – попробуйте отыскать сегодня на рынке более надежный двигатель», – сказал г-н Лури.

Другим интересным и приобретающим все большую важность является тот факт, что компания Cummins, так же как Perkins, достигла некоторой экономии топлива в своем новом двигателе.

Топливная эффективность, конечно, является важным показателем в условиях недавнего безудержного роста цен на нефть. Одним из решений, позволяющих снизить расход топлива, является использование гибридных систем привода, когда в трансмиссии электродвигатель работает вместе с традиционным дизельным двигателем. Электродвигатель применяется при малых скоростях движения, когда дизельные двигатели развивают небольшие обороты и малый крутящий момент при плохой топливной экономичности.

При более высоких оборотах дизели работают эффективнее и могут заряжать аккумуляторы электросистемы и осуществлять привод машины. В некоторых гибридных приводах имеются системы рекуперации, которые используют энергию торможения машины для зарядки аккумуляторов электросистемы – то есть превращают в полезную работу ту энергию, которая в обычной машине выделяется в виде тепла и бесполезно рассеивается.

Гибридные системы дороже традиционных дизельных, но постоянно растущие цены на топливо делают их экономически целесообразными. На выставке ConExpo в 2008 г. фирма Volvo представила прототип «умеренного» гибридного колесного погрузчика, который поступит в продажу в 2009 г. «Умеренный» означает, что хотя в машине имеется электросистема, она недостаточно мощная для привода машины во время нормальной работы.

Компания Komatsu продвинулась дальше и уже выпустила на японский рынок в июне 2008 г. экскаватор с гибридным приводом. Вместо аккумулятора для хранения электроэнергии в машине используются конденсаторы, и, по словам представителей фирмы, в среднем расход топлива меньше на 25% по сравнению со стандартной моделью РС200.

Для производителей, которые не располагают такими ресурсами для разработки собственных гибридных приводов, как Volvo и Komatsu, будут, несомненно, представлять интерес последние новости от фирмы Deutz. Компания объявила о развитии «умеренной» гибридной конструкции, включающей четырехцилиндровый дизельный двигатель, электродвигатель, аккумулятор и систему управления, которая, по информации фирмы, может снизить расход топлива на 30%.

Duetz разработала гибридный привод совместно с фирмой Heinzmann, работающей в сфере систем управления двигателями. Электросистема имеет номинальную мощность 15 кВт с пиковой в 30 кВт, почти равной мощности дизельного двигателя.

Прототип привода был смонтирован на колесном погрузчике Atlas Weyhausen AR65. В то время как стандартный погрузчик оснащается дизельным двигателем Deutz TCD 2011 мощностью 68 л.с.(51 кВт), на гибридной версии он был заменен менее мощным двигателем D 2011 без турбонаддува с масляным охлаждением мощностью 50 л.с.(37 кВт).

По информации фирмы Deutz, серийное производство гибридного привода планируется не ранее 2010 г.

Другой интересной областью является дизель-электрический привод. Эта технология в течение многих лет пользовалась популярностью в больших карьерных самосвалах и связана с применением дизельного двигателя в качестве генератора для привода электродвигателей вместо механической трансмиссии. Это помогает избежать потерь, связанных с механическими приводами, а также обеспечивает универсальность применения конструкции, т.к. электрокабели легче прокладывать по сравнению с карданными передачами.

Таким интересным примером является бульдозер D7E компании Caterpillar, также показанный на выставке ConExpo, который, по заявлению фирмы, в пересчете на 1 л топлива перемещает на 25% больше материала по сравнению с традиционной моделью D7. Другим преимуществом является то, что в машине имеется на 60% меньше движущихся деталей по сравнению со стандартным бульдозером, и поэтому эта модель должна быть более надежной.

Caterpillar считает эту технологию очень перспективной. Президент группы Дуг Оберхельман утверждает: «Эта технология распространится в течение нескольких лет и, несомненно, найдет применение и в других машинах».

Следующими машинами фирмы Caterpillar с дизель-электрическим приводом станут некоторые ее карьерные самосвалы.

Последним и, возможно, наиболее противоречивым вопросом является применение биотоплива. Несколько лет назад оно выглядело как решение – или, по крайней мере, часть решения – проблемы сокращения запасов нефти и роста цен на топливо. Идея заключалась в выращивании таких культур, как сахарная свекла, сахарный тростник, и таких крахмалосодержащих растений, как пшеница и кукуруза, для производства этанола с помощью ферментации, а также таких масленичных культур, как соевые бобы и рапс, для изготовления топлива, подобного дизельному.

В результате многие производители сейчас создают двигатели, рассчитанные на работу на смеси соляра с определенной долей биотоплива. В большинстве двигателей допускается работа на топливе, содержащем 5% биотоплива (В5), а многие производители идут дальше. Например, John Deere сообщает, что топливо с содержанием до 20% биотоплива (В20) может быть использовано во всех ее двигателях Stage IIIA/Tier 3, а г-н Денис из фирмы Perkins говорит, что целью компании является сертификация всех ее двигателей до В100.

Почему всегда указывается специально, на смеси какого состава может работать двигатель? Причиной является то, что биодизель не является полным заменителем нефтяного дизельного топлива. Биодизель может повредить уплотнения и прокладки, а также испортить моторное масло. Биодизельное топливо может испортиться, особенно если его неправильно хранить, и по ряду других характеристик отличается от нефтяного дизельного топлива.

Поэтому владельцы машин не должны использовать биодизель в двигателе, который не рассчитан на его применение, и не должны превышать рекомендуемые пропорции биодизеля в составе топлива. Это может привести к повреждению двигателя и к потере права на гарантийное обслуживание, а это дорогая ошибка!

Однако в то время как промышленность разрабатывает двигатели для работы на биотопливе, рациональность использования биотоплива некоторыми специалистами ставится под сомнение. Одна проблема заключается в том, что на полях, ранее использованных для выращивания продуктов питания, начинают выращивать культуры для получения биотоплива, в результате чего резко выросли цены на продовольствие. Другая проблема состоит в том, что леса вырубаются для того, чтобы освободить площади для посевов биотопливных культур, что едва ли можно считать положительным экологическим решением!

Кроме того, биотопливо не позволяет полностью решить проблему вредных выбросов, т.к. для его выращивания необходимо применять машины и химикаты, что означает потребность в дополнительной энергии и выбросе в атмосферу углекислого газа. Производители двигателей учитывают все эти противоречивые аргументы, выполняя решения правительств, но не стремясь все выполнить слишком быстро. Как заявил г-н Оберхельман, «нашей ближайшей целью является использование всей имеющейся на сегодня биомассы, но вопрос производства и использования биотоплива является пока для общества громадной нерешенной проблемой».

Станет ли биодизель топливом будущего, покажет время, но пока цены на нефть остаются высокими, вполне вероятно, что разработка гибридных систем привода и применение их на строительных машинах будет расширяться. И все это в условиях, когда отрасль будет бороться с проблемами удовлетворения все более ужесточающихся требований по токсичности ОГ. Это будет нелегко!

 

По материалам журнала «International Сonstruction» № 6/2008, издаваемого ведущим международным издательским домом в области строительства «KHL Group»(www.khl.com).