Тракторне майбутнє

Трактора — головний енергетичний засіб для сільського господарства. І поки що світова промисловість не може запропонувати альтернативи цим машинам. Але зміни, яким піддають ці машини, відбуваються постійно. Беззаперечно, одним із головних критеріїв трактора є його потужність та економічність. Всі хочуть мати надійних, продуктивних, економічних і функціональних помічників, які б якісно виконували всі поставлені перед ними завдання. Але останніми роками на розвиток тракторів досить сильно тисне екологічне законодавство. Відбувається постійне «закручування гайок» щодо токсичності вихлопних газів. Вдосконалення систем вприскування, використання турбокомпресорів зі змінною геометрією, систем проміжного охолодження повітря та електронного керування двигуном не дають хороших результатів, щоб відповідати чинному в ЄС та світі на даний момент рівню викидів.

Наразі у класах потужності від 70 до 760 к. с. є незамінними системи доочищення вихлопних газів такі як: каталізатор окислення (DOC), сажовий фільтр (DPF) і селективне каталітичне відновлення (SCR), які в деяких випадках доповнюються рециркуляцією вихлопних газів (EGR). Зараз багато виробників адаптували свої двигуни для роботи з HVO (гідроочищена рослинна олія) із обов’язковим дотримання чинних норм щодо токсичності відпрацьованих газів. Але законодавство із року в рік посилюється і зміна енергоносія (палива), який необхідний для безперебійної й екологічної роботи двигунів тай самих двигунів неминуча. Тому наразі ми можемо спостерігати зміну акценту виробників двигунів на розробку силових установок, що працюють на альтернативних видах палива.

Яке воно, пальне майбутнього?

На початку 2022 року відомий американський виробник двигунів, компанія Cummins, стала першим виробником, який анонсував платформу багатопаливного двигуна (дизель/HVO, метан і водень) із 6-циліндровим агрегатом Fuel-Agnostic X15 (об’єм 14,9 л). Основою для цього є стандартизований базовий двигун, який можна комбінувати з різними модулями головки блоку циліндрів, що й надає йому рис багатопаливності.

FPT (Fiat Powertrain Technologies. Єдиний постачальний двигунів для транснаціональної корпорації CNH Industrial, що займається виробництвом сільськогосподарської та будівельної техніки, та інших компаній, які виробляють машини, що потребують надійних силових установок) із двигуном XC13 (6 циліндрів, об’ємом 12,9 л) йде подібним шляхом. Цей двигун був представлений рік тому як «багатопаливний однобазовий двигун». Нова концепція Cursor-X також різні головки блоку циліндрів для дизельного/HVO, метану, водню та інших відновлюваних видів палива.

AGCO Power (частина концерну AGCO. Раніше відома як Sisu Diesel) також анонсувала нову платформу двигунів серії CORE. Першим представником став CORE 75 із 6-ма циліндрами і робочим об’ємом 7,5 л, який використовують у новій серії тракторів Fendt 700 Gen7, і також може працювати з HVO. У майбутньому цю платформу також буде вдосконалено, щоб уможливити використання інших альтернативних видів палива, залежно від розвитку та запитів ринку.

На додаток до Cummins, FPT та AGCO Power інші виробники, включаючи Deutz, JCB і Liebherr, також працюють над двигунами внутрішнього згоряння, щоправда акцент зроблено на спалюванні лише водню. Цей підхід наразі також вважається найбільш економічним і можливим рішенням у промисловості, комерційних автомобілів і дає змогу досягти скорочення викидів CO2 за допомогою безвуглецевого водню в коротко- та середньостроковій перспективі. Однак необхідною умовою для цього завжди є те, щоб він походив із екологічно чистих джерел. Водень можна перевозити транспортними засобами як і метан, у газоподібному вигляді в контейнерах під тиском або в рідкому вигляді в ізольованих цистернах. Технології двигунів для цих двох джерел енергії також схожі.

Але це більше розробки, які колись надійдуть у серію. Справжнім досягненням є вже серійні двигуни, що працюють на природному газі чи біометані.

Першопрохідцем у цьому є компанія New Holland, яка в 2022 році стала першим виробником, який запустив серійне виробництво трактора T6.180 Methane Power з газовим двигуном. Метан транспортується сюди в газоподібному стані як CNG (стиснений природний газ) у ємностях під тиском. Оскільки щільність енергії CNG на літр об’єму бака становить лише приблизно п’яту частину від дизельного палива, час роботи таких транспортних засобів, як правило, обмежений, але це не заважає експлуатувати трактор за виконання легких циклічних робіт (робота на фермі, транспортуванні причепів, цистерн тощо). Співвідношення енергії до кількості палива набагато краще з кріогенним рідким газом (LNG технологія), тому він роками використовується в міжміських вантажних перевезеннях. Через технічні нюанси з резервуарами для заправки цього газу, циліндричні місткості з вакуумною ізоляцією, які важко інтегрувати в тісний простір для встановлення, використання цього типу палива в тракторах було мало можливим. Але з новими резервуарами для LNG, які встановлено на тракторів T7.270 Methane Power LNG, компанія New Holland робить цю технологію доступною. Завдяки спеціальній технології подвійних стінок резервуари для LNG з вакуумною ізоляцією більше не потребують циліндричної форми, і, отже, їх можна краще адаптувати до типових умов простору трактора — подібно до дизельних резервуарів. Тому T7.270 LNG може перевозити 200 кг метану, що приблизно в сім разів більше, ніж вміщують баки T6.180 Methane Power (на основі інтегрованих баків CNG). Проблему википання газу вирішено за допомогою «кріоохолоджувача», який постійно підтримує метан за температури нижче -162 °C і, отже, у рідкому стані. Охолоджувач працює від електроенергії, яка надходить від батареї, яку можна заряджати через зовнішнє джерело живлення або вбудований генератор. Це означає, що концепції газових двигунів на зрідженому природному газі тепер також можуть стати діючим варіантом силової установки в сільському господарстві в поєднанні з можливістю використовувати власний біогаз (біо-LNG) як паливо для транспортних засобів у системах із нейтральним викидом CO₂.

А як же електротрактор?..

Силові установки та техніка, які живляться від електричних акумуляторів, повільно, але впевнено завойовують популярність. І причин тут декілька. Першочергово слід відмітити, що технологія виробництва акумуляторів постійно вдосконалюється, і останніми роками питома кількість електроенергії на одиницю маси акумулятора (Вт·год/кг) постійно збільшується. Однак на сьогодні акумулятори залишаються відносно великими та важкими, тому транспортні засоби, обладнані ними, переважно використовують на легких та помірно важких роботах або ж у разі виконання циклічних робіт, де є достатньо часу для проміжної зарядки батареї. У сільському господарстві такі умови притаманні для менших тракторів, які сьогодні поступово виходять на ринок.

Наприклад, минулого року швейцарська компанія Rigitrac запустила виробництво дрібних партій невеликих компактних тракторів SKE 40 Electric (тяговий привід безперервної/пікової потужності 40/64 кВт, ємність акумулятора 50 кВт-год). Fendt має вузькоколійний трактор Fendt e107 V Vario із постійною/піковою потужністю 55/66 кВт, ємність акумулятора 100 кВт·год). New Holland також має у своєму арсеналі невеликий електротрактор T4 Electric Power (постійна/пікова потужність 55/89 кВт, ємність акумулятора 110 кВт·год).

Паливні елементи — ще один напрям отримання екологічної енергії для роботи двигунів тракторної та промислової техніки. Цей напрям є більш експериментальним і серійних машин тут ще не має жоден із виробників, але робота ведеться.

Хоча приводи на паливних елементах також відносять до електросистем, утім електроенергія, яка необхідна для заряджання акумуляторів, не надходить із мережі, а спочатку генерується, наприклад, з водню в спеціальній установці, яку встановлено в тракторі. Досить перспективне рішення, яке дає змогу значно подовжити роботу акумуляторних батарей, і відповідно, покращити автономність роботи техніки. Але без «ложки дьогтю» тут не обійтися. Оскільки паливні елементи не можуть швидко реагувати на зміни навантаження, а оптимальна їхня ефективність перебуває в діапазоні середнього навантаження, вони завжди поєднуються з буферними батареями в приводах транспортних засобів. У більшості випадків паливний елемент є основним елементом, а батарея – додатковим елементом, який покриває пікові навантаження та може зберігати енергію гальмування. Серйозною проблемою для транспортних засобів на паливних елементах є й те, що вони не здатні швидко забезпечити достатню кількість енергії для необхідного часу роботи. Однак паливний елемент також можна використовувати для розширення запасу ходу електричних транспортних засобів, що працюють від акумуляторів.

Прототипи такої техніки вже є, зокрема, у Fendt. Воднево-електричну тракторну систему HELIOS, розроблено в рамках дослідницького проекту H2Agrar. Вона працює з паливним елементом потужністю 100 кВт і буферною батареєю ємністю 25 кВт-год. Це означає, що його можна віднести до концепції «паливний елемент як головний привід». П’ять баків високого тиску, встановлених над дахом кабіни, можуть перевозити в цілому 21 кг водню. У конкурсі DLG AgriFuture Concept Winner 2023 компанія Fendt також представила дослідження мобільного паливного елемента, який може виробляти електроенергію з чистого метанолу для безперервної зарядки акумулятора Fendt e107 V Vario. Рідкий метанол перевозиться в 60-літровому паливному баку, і йому не потрібно створювати тиск або охолоджувати. Паливний елемент має потужність 15 кВт і може генерувати близько 100 кВт-год електроенергії з 60 л метанолу. Це дає змог подвоїти час роботи електричного трактора e107 V Vario з акумуляторним живленням для низьких/середніх навантажень. Модуль паливного елемента прикріплюється до переднього або заднього навісного механізму трактора, а електричне з’єднання здійснюється за допомогою штекера AEF. Це рішення відповідає концепції «паливний елемент як подовжувач дальності».

Гібридні установки також мають право на життя

CNH представляє Steyr Hybrid CVT, модульну гібридну концепцію для середніх і великих стандартних тракторів. Хоча гібридний трактор створений на базі трактора Steyr Impuls CVT 6175 із номінальною потужністю 180 к. с., конструкторам вдалося досягти потужності в 260 к. с. Отримання вищої потужності трактора меншого розміру стало можливими завдяки поєднанню гідромеханічного приводу CVT на задній осі трактора й гібридного модуля на передній осі, обидва з яких можуть бути об’єднані з інтелектуальним зчепленням повного приводу.

Передню вісь трактора оснащено новою незалежною підвіскою для більшого комфорту оператора. Функція E-CVT означає, що трактор рухається виключно гібридно-електричним приводом потужністю до 75 кВт і низькою частотою обертання колінчастого валу двигуна в 1100 об/хв, що підвищує комфорт у разі нестабільного навантаження на ВВП, наприклад, за роботи з великими тюковими прес-підбирачами, і підтримує швидкість ходу за допомогою електроприводу без механічного з’єднання з двигуном. Швидка і чутлива КПП E-Shuttle дає змогу на 41 % швидше маневрувати на низьких обертах двигуна і на 15 % знизити витрату палива. Вся система є модульною, а передній міст можна розмістити на інших середніх та великих платформах тракторів.

Електропривод трактора Steyr Hybrid CVT приносить додаткові переваги операторам та власникам. Наприклад, система E-Steering прискорює передню вісь за проходження поворотів на польових швидкостях, зменшуючи радіус повороту на 15 % і прискорюючи маневрування на 20 %, а система E-Boost за необхідності забезпечує додаткову електроенергію, наприклад, після уповільнення, що дає змогу на 25 % швидше досягти попереднього режиму пересування. Це можливо завдяки технології суперконденсатора, яка дає змогу зберігати електричну енергію, що виробляється трактором, наприклад, під час руху під ухил, щоб її можна було використовувати за необхідності. Під час роботи в полі передні колеса приводяться в рух з тією ж швидкістю, що й задні, що забезпечує оптимальне зчеплення з поверхнею, знижує витрату палива, спрацювання шин та пошкодження ґрунту/врожаю через пробуксовування. Це також означає, що повний привід можна використовувати на дорозі без спрацювання чи пошкодження шин або дискомфорту для водія.

Система E-Braking підтримує постійну швидкість трактора під час руху зі схилу та використовує електропривід як сповільнювач, тим самим мінімізуючи спрацювання гальм та підвищуючи безпеку руху. Система E-Torque Filling знижує коливання швидкості, викликані нерівностями твердого/м’якого ґрунту, в середньому на 6 % за роботи з ґрунтообробними знаряддями. Результатом є постійно вища швидкість руху, що забезпечує більший комфорт, точність та робочу швидкість і продуктивність трактора Steyr Hybrid CVT. Режим E-Eco призначений для того, щоб дати змогу трактору працювати з максимально можливою ефективністю за виконання легких робіт та перевезень завдяки поєднанню потужності електроприводу та приводу CVT із можливістю зниження витрат палива на 5–10 %. Трактор Steyr Hybrid CVT також може електрично керувати сумісним навісним обладнанням за допомогою технології E-Implement, яка забезпечує потужність до 75 кВт при 700 В через стандартний порт AEF для живлення їхніх функцій та коліс, якщо це необхідно.

Тож, як бачимо, тракторна індустрія не стоїть на місці. Сподіваємось, що пройде зовсім небагато, часу і ці технології випробують вітчизняні фермери.

А. Сухина,  a.sukhina@univest-media.com