A közúti járműtechnikát figyelemmel kísérők a személygépkocsik és a haszongépjárművek esetében egyre gyakrabban találkoznak az elektromos hibrid hajtás valamilyen formájával.
A közúti járműtechnikát figyelemmel kísérők a személygépkocsik és a haszongépjárművek esetében egyre gyakrabban találkoznak az elektromos hibrid hajtás valamilyen formájával. Az elektromos hibrid hajtás módok a következő főbb csoportokba sorolhatók: tiszta elektromos; hibrid; és üzemanyagcellás. A mezőgazdasági traktorok és munkagépek esetében is felvetődik az elektromos hajtás alkalmazásának lehetősége. A közeljövőben elsősorban a dízel-villamos hibrid üzemű traktorok nagyarányú elterjedése várható.
A kőolajból nyert hagyományos hajtóanyagok (benzin, gázolaj) felhasználása járművek hajtására 40-60 év múlva nehézségbe fog ütközni. A kőolaj tartalékok el fognak fogyni és ezért az emberiség keresi a járműhajtások új energia lehetőségét. Az alternatív megoldások sokszínűsége fogja jellemezni az elkövetkező időszakot. A mezőgazdasági erőgépek esetében is megkezdődik a jövő megoldásainak keresése. A közeljövőben a traktorok, mezőgazdasági gépek esetében is megjelenik az elektromos hibrid hajtás rendszerek alkalmazása. Az elektromos hibrid hajtás módok a következő főbb csoportokba sorolhatók: tiszta elektromos; hibrid; és üzemanyagcellás. A traktorok esetében a hibrid hajtások nagyarányú elterjedése várható a közeljövőben a hagyományos hajtóanyag felhasználás mérséklése érdekében.
Tiszta elektromos hajtás
A traktorok tiszta elektromos hajtására először a harmincas években, a Szovjetunióban, a nagy villamosítási terv keretében került sor. Ennek a megoldásnak lényege az volt, hogy a nagy mezőgazdasági termőterületeket sűrűn elektromos távvezeték hálózattal látták el és a traktoron lévő kábeldobról több száz méter vezetéket le- és felcsévélve haladt a villanymotorral hajtott traktor. A hálózat kiépítésének magas költsége és a traktor korlátozott mozgás lehetősége kudarcra ítélte ezt a szovjet megoldást.
Napjainkban, a mezőgazdaságban még csak kisebb járművek esetében alkalmaznak tiszta elektromos hajtást, amelyeknél a villamos hálózatról feltöltött akkumulátorból nyert energiával működtetik a hajtást végző villanymotort. Ennek a megoldásnak előnye a benzintől, vagy a gázolajtól mentes tiszta, zajtalan üzem. Példaképpen az 1. képen látható a John Deere GATOR-TE 4×2 Electric univerzális jármű. Ennek a járműnek hátsó kerekeit 48 V-os akkumulátor telepről működő egyenáramú, 4,6 kW teljesítményű villanymotor hajtja, mechanikus fokozatmentes hajtóművön keresztül. A jármű haladási sebessége maximálisan 25 km/óra előre és 15 km/óra hátra. A 227 kg terhelhetőségű GATOR-TE univerzális szállítóeszköz jól használható állattartó telepeken, raktárakban, épületeken belül. A nagy teljesítményű akkumulátor egységgel egésznap üzemképes. A teljesen lemerült akkumulátorok (8 db Trojan 105) feltöltése a villamos hálózatról 12 óra alatt elvégezhető.
1. kép: John Deere GATOR-TE 4×2 Electric univerzális jármű
A hazai mezőgazdasági erőgéppark tiszta elektromos hajtása nehezen oldható meg nemcsak az a villamos energia akkumulátoros tárolása miatt, hanem többek között azért is, mert a magyarországi traktorpark összes teljesítményének kiszolgálásához kb. két és fél paksi atomerőmű nagyságú villamos kapacitásra lenne szükség. Mindezek ellenére a tiszta elektromos hajtású kis traktorokat, rakodógépeket a majori munkáknál és az állattartó telepeken már most is előnyösen lehet használni.
Hibrid hajtás
A hibrid hajtás elnevezést szokás használni, ha a jármű alapvető üzemeltetésére egynél több energia fajtát használnak. A hibrid üzemű traktorok régóta léteznek a mezőgazdaságban, mert igen gyakran a traktor hajtására és a munkagép kiszolgálására a mechanikai rendszer mellett hidraulikus energia átvitelt is alkalmaznak. A hibrid üzemű traktorok csoportjába ma leginkább azokat a gépeket sorolják, amelyek dízel-villamos rendszerrel rendelkeznek. Ezek a traktorhajtások két nagy csoportra oszthatók, úgymint soros- és párhuzamos hibrid hajtásokra.
Soros hibrid hajtás
A mezőgazdaság számára, amíg rendelkezésére áll gázolaj, addig legkézenfekvőbb hajtás megoldást a dízel-villamos soros hibrid hajtás alkalmazása szolgáltatja. Ennél a megoldásnál (1. ábra) a dízelmotor csak villamos áramfejlesztőt hajtja és az előállított villamos energiával a kerekenként alkalmazott villanymotor mozgatja a traktort, vagy a mobil mezőgazdasági gépet.
1. ábra: Dízel-villamos soros hibrid hajtás vázlata
A dízel-villamos hajtás előnye, hogy a dízelmotor-generátor egységet a legjobb hatásfok mezőben lehet működtetni, a hajtáslánc egyszerű villanyvezetékből és vezérlő elektronikából áll. A villanymotorok vezérlésével fokozatmentes sebességváltás érhető el, valamint egyszerűen kialakítható a négy független-kerékfelfüggesztésű kerék hajtása és a traktor valamennyi kormányzási módja is.
A jó hatásfokú és egyszerű felépítésű dízel-villamos soros hibrid hajtással működő erőgépre több példa is van. A kis teljesítményű univerzális traktorkategóriába tartozik például a 2. képen látható „RIGITRAC EWD 120” típusjelzésű dízel-elektromos soros hibrid hajtású mezőgazdasági traktor. A 91 kW teljesítményű dízelmotor, a hidraulikus rendszert és 85 kW teljesítményű váltakozó áramú generátort működtet.
2. kép: Rigitrac EWD 120 típusjelzésű soros hibrid traktor
A svájci Schweizer Traktorenherstellers Sepp Knüsel családi kis vállalkozás soros hajtású hibrid traktorából évenként több tíz darabot gyárt. Ezt az összkerékhajtású és négy kerékkormányzású traktort 4 db 33 kW teljesítményű váltakozó áramú kerékagy villanymotor hajtja. A traktor teljesítmény átvitelének felépítését a 2. ábra szemlélteti. A független kerék-felfüggesztésű kerekek (3. kép) hidropneumatikus rugózásúak, a traktor haladási sebessége 0-65 km/h.
2. ábra: EWD 120 traktor villamos teljesítmény átvitelének vázlata
3. kép: EWD 120 traktor független kerék-felfüggesztésű kereke
A hazánkban jól ismert Belarus traktorgyár „MTZ 3023” típusjelzéssel gyárt középnehéz univerzális dízel-villamos soros hibrid hajtású traktort (4. kép). Az összkerék hajtású traktor 220 kW teljesítményű dízelmotorja, 172 kW elektromos teljesítményű generátort hajt. A traktor hidraulikus berendezésének hajtására 48 kW jut. A traktor modern vezérlőelektronikával biztosítja a jó összhatásfokot és a hajtóanyag-felhasználás mérséklését.
4. kép: MTZ 3023 típusjelzésű 220 kW-os univerzális hibrid traktor
Az amerikai Caterpillar gyár 2010-ben készítette el a világ első váltakozó áramú villanymotor hajtású hibrid dózerét. A 173 kW-os (235 lóerős) Caterpillar D7E típusjelzésű dízel-villamos soros hibrid dózer felépítését és hatékonyságát a 3. ábra szemlélteti. A lánctalpas nehéz traktorok esetében is alkalmazni fogják ezt a hajtásmódot.
3. ábra: Caterpillar D7E típusjelzésű dízel-elektromos hibrid dózer
Párhuzamos hibrid hajtás
A párhuzamos hibrid hajtású traktor esetében a dízelmotor mechanikus erőátvitellel hajtja a traktort, de a hajtás láncra villamos hajtás is rádolgozik, vagy a mobil mezőgazdasági munkagép számára villamos energiát szolgáltat.
A Volvo Hybrid L220F homlokrakodója 2007-ben mutatkozott be. A gép teljes párhuzamos hibrid hajtással rendelkezik, mert az akkumulátorban tárolt villamos energiát a generátor-villanymotor egység rásegítő hajtásként hasznosítja. Ezzel azt lehet elérni, hogy a dízelmotor nyomatékát alacsony fordulatszám tartományban jelentősen meg lehet növelni (4. ábra). Alacsony terhelés esetén a generátor tölti az akkumulátort. A megnövekedett teljesítmény és a 10 %-kal kisebb üzemanyag-fogyasztás mutatja, az ilyen hibrid rendszerek létjogosultságát.
4. ábra: Volvo Hybrid L220F típusjelzésű homlokrakodó 259 kW-os dízelmotorral és 50 kW-os villanymotorral
A John Deere 2007-ben a hannoveri Agritechnica kiállításon két speciális (7030E, 6210 RE) prémium traktort mutatott be, párhuzamos mikró hibrid hajtással. A sikeres John Deere 6R modellcsalád 6210 RE típusjelzésű mikró hibrid tagja Európában is megvásárolható. Ezeknek a traktor típusoknak közös jellemzője, hogy a dízelmotor után elhelyezett a villamos generátor által szolgáltatott villamos energiával működtetik többek között a dízelmotor hűtőventilátorát, vízszivattyú hajtását, a kabin légkondicionáló berendezését.
Az igazi újszerűsége ennek a mikró hibrid hajtásnak az, hogy a rendelkezésre álló 20 kW villamos teljesítményt munkagép hajtására lehet igénybe venni (5. kép). A traktor villamos feszültség értékei kisfeszültség 12 V vagy 24 V egyenáram, a nagyfeszültség 7030E esetében 230 és 400 V váltakozó áram, a 6210 RE típus európai kivitelénél 110 és 230 V váltakozó áram.
5. kép: John Deere 6210 RE típusjelzésű mikró hibrid hajtású traktor Rauch Axis EDR elektromos hajtású műtrágyaszóróval
A Merlo Turbofarmer 40.7 hibrid hajtású teleszkópgémes rakodógép az első hibrid üzemű univerzális mezőgazdasági erőgép. Ez a gép tisztán villamos vagy dízel-villamos párhuzamos hibrid hajtással is tud üzemelni. A rakodás céljára készült géppel mezőgazdasági munkát, akár szántást is lehet végezni. Tisztán elektromos üzemmódban 30 kWh kapacitású lítium akkumulátorral működik, amely hálózatról is tölthető (6. kép).
6. kép: Merlo Turbofarmer 40.7 hibrid hajtású univerzális mezőgazdasági erőgép
A párhuzamos hibrid üzemmódban a gép működését 4 hengeres, 55 kW-os dízelmotor biztosítja, ami egyidejűleg folyamatosan tölti az akkumulátort is. Rakodógépként, csak elektromos üzemmódban zárt térben (például állattartó telepen) úgy lehet vele dolgozni, hogy a levegőt nem szennyezi. Az üresjárati szakaszokban is tisztán elektromos hajtásra lehet váltani. Hibrid üzemmódban a dízelmotor névleges 100 kW-os teljesítménye – a rakodási teljesítmény korlátozása nélkül – akár felére is csökkenthető jelentős gázolaj megtakarítás mellett.
A mezőgazdasági erőgépek villamosítását segíti például a ZF-TERRA+ traktor sebességváltójába beépített új villamos 70 kW teljesítményű generátor rendszer (5. ábra). Ezzel a rendszerrel a traktor párhuzamos hibrid hajtása egyszerűen kialakítható és a munkagépek villamos energia ellátása megvalósítható.
5. ábra: Párhuzamos hibrid üzemű traktor a ZF-TERRA+ rendszerrel egyszerűen kialakítható
Mobil mezőgazdasági gépek villamos energia kiszolgálása
Az új generációs mobil mezőgazdasági munkagépek működtetéséhez villamos energia szükséges. Az energia szolgáltatás igényét a legtöbb dízel-villamos hibrid hajtású traktor ki tudja elégíteni. Ha a traktor nem rendelkezik a mobilgépekhez szükséges villamos energiaszolgáltatással, akkor átmeneti megoldásként ezt az igényt például az erőleadó tengellyel hajtott külső generátorral megoldható.
A GKN Walterscheid GmbH és a GKN Land Systems múlt év végén, a 2013. évi Agritechnica kiállításon „ePower-Generator” elnevezéssel 100 kW villamos teljesítmény előállítására szolgáló generátor egységet mutatott be. A hűtővel ellátott generátort gyorskapcsolóval lehet a traktor első felfüggesztő szerkezetéhez kapcsolni és univerzális kardánnal a TLT-tengelyhez csatlakoztatni (7. kép). A berendezés kihasználásához 140-200 kW motorteljesítményű traktor szükséges.
7. kép: GKN Walterscheid „ePower-Generator” traktorra szerelve
Üzemanyagcellás villamos hajtás
A járműhajtások területén a jövő nagy ígérete az úgynevezett üzemanyagcellás villamos hajtás. Ennek lényege nagyon leegyszerűsítve az, hogy hidrogén és oxigén speciális cellában való egyesítése révén elektromos áram állítható elő, amelynek révén villanymotor segítségével hajtható a jármű. A New Holland a 2009-ben bemutatott egy ígéretes üzemanyagcellás kísérleti traktort (8. kép).
8. kép: New Holland T6000 NH2 TM elnevezésű traktor 78 kW teljesítményű üzemanyagcellás rendszerrel
A T6000-es szériába beépített NH2 TM elnevezésű üzemanyagcellás rendszer teljesítménye 78 kW (106 lóerő). Üzemanyagcellás villamos hajtás gyakorlati megvalósításához több problémát meg kell még oldani, például a hidrogén gazdaságos előállítását, tárolását és az igen költséges infrastruktúra kiépítését. A kőolajkészletek csökkenésével párhuzamosan 30-40 év múlva várható az üzemanyagcellás rendszer elterjedésének kezdete a traktortechnikában.
A hibrid üzemű traktorok elterjedése forradalmasítani fogja a traktor erőátviteli rendszerét és a mezőgazdasági gépek hajtását.
Dr. Varga Vilmos
SZIE Gépészmérnöki Kar, Járműtechnika Tanszék, Gödöllő
