| Ekskavatörlerde hibrid çağı başlıyor |
|
Yüksek verimliliği ve geniş kullanım alanıyla dünyadaki en yaygın iş makinesi çeşidi olan ekskavatörlerdeki teknolojik gelişim hız kesmeden devam ediyor. Bundan 150-200 yıl önce buhar enerjisiyle kontrol edilen halatlar aracılığıyla çalışan bu makineler günümüzde artık elektronik olarak yönetilen dizel motorlar ve akıllı hidrolik sistemlerle çalışıyor.
Son yıllarda bir yandan yasaların zorunlu kıldığı egzoz emisyon sınırlandırmalarını çözmeye odaklanan makine üretici firmalar, bir yandan da sektörde fark yaratmaya yönelik yeni teknolojiler üzerinde de çalışmaya devam ediyorlar. Meyvelerini vermeye başlayan bu çalışmaların başında ‘hybrid ekskavatörler’ geliyor ve piyasada sıkça dillendirilen; “Bütün makineler artık birbirine çok benziyor. Motoru, pompası, valfleri, vb. birçok parçasını aynı yerden alıyorlar.” şeklindeki yorumlara son verecek gibi görünüyor.
100 yıllık hibrid teknolojisi
Hibrid araç kavramı ile birlikte akıllara öncelikle elektrik destekli araçlar geliyor olmasına rağmen aslında, en az iki farklı enerji kaynağı ile güçlendirilen araçlar olarak tanımlanıyor. Enerji kaynağı fosil yakıtlar, elektrik, hidrolik, gaz, vb. olabiliyor.
Hibrid araçların ilk hayata geçişi ise 1900’lü yılların başında, The Lohner-Porsche Elektromobil firması tarafından geliştirilen elektrikli bir otomobile, tasarımcısı Ferdinand Porsche tarafından akülerini şarj etmek amacıyla içten yanmalı bir motor eklenmesi ile gerçekleşti. Zaman içerisinde farklı enerji kaynakları ile birçok denemeler yapıldı. Ancak fosil yakıtların bolluğu ve ucuzluğu sebebiyle yeterince ilgi görmedi.
1970’lerde yaşanan petrol krizi sonrasında yükselen fosil yakıt fiyatları ve artan araç sayısına bağlı olarak olumsuz etkileri dikkat çekmeye başlayan çevre kirliliği gibi etkenlerle bu konuya olan ilgi tekrar canlandı. Elektrik enerjisinin depolandığı batarya teknolojisine yapılan yatırımlar ile araçların menzilleri artmaya başladı. 1997 yılında Toyota tarafından geliştirilen Prius modeli önemli bir başarı sağladı. Ve günümüzde artık çok daha yüksek verimle çalışan çeşitli markalarda hibrid araçlar (çoğunlukla elektrik-hybrid) ortaya çıktı.
İlk hibrid iş makineleri
Enerjinin daha verimli kullanımı prensibi ile kurgulanan hibrid sistemlerin iş makineleri alanına sıçrayışı ise ancak 2000’li yıllardan sonra gerçekleşti.
Japon iş makineleri üreticisi Komatsu, 13 Mayıs 2008 tarihinde dünyanın ilk hibrid iş makinesi olan PC200-8 Hybrid modelini pazara sundu. Bunu 2013’te Caterpillar’ın 336E Hybrid ve Hitachi’nin ZH200-3 modelleri takip etti. Alman Liebherr ise henüz pazara sunmadığı prototip R9XX modelini 2013 yılındaki Bauma Fuarı’nda tanıttı.
Her ne kadar hibrid kavramı ortak bir isim olsa da, her birinin ayrı bir yoğurt yiyişi olan bu dört markanın hibrid modelleri arasında ciddi farklılıklar bulunuyor. Elektrikli hibrid yapısına sahip olan Komatsu ve Hitachi’nin modelleri arasında dahi önemli farklar var. Sektörü hidrolik hibrid kavramı ile tanıştıran Caterpillar, bu alanda önemli bir yeniliğe imza attı. Henüz sahalara inmeyen Liebherr R9XX modeli ise hem elektrik hem de hidrolik hibrid özelliklerini taşıyan bir yapıya sahip olacak gibi görünüyor.
Birçok uluslararası yayında hibrid ekskavatörlerin üstünlüğünün, sadece kule dönüş frenlemesi esnasında oluşan atıl enerjinin depolanarak tekrar kullanma özelliğinden kaynaklandığı ön plana çıkarılıyor. Hâlbuki bu, buzdağının sadece görünen kısmını oluşturuyor. Aşağıda detaylarını vereceğimiz her bir modelin arka planında, daha yüksek verimle çalışma olanağı sağlayan yeni fikirler ve gelişmiş teknoloji ürünü özellikler var.
Komatsu HB215LC-1 Hybrid Ekskavatör
Komatsu tarafından geliştirilen hibrid ekskavatör teknolojisi ile yüzde 25’ten yüzde 40’a varan oranda yakıt tasarrufu sağlanmasının temelinde 2 ana özellik bulunuyor. Hibrid sistem ve düşük devir uyumu.
Komatsu Eğitim Uzmanı Ceyhun Savut, Komatsu ekskavatörlerdeki hibrid sistemi şu şekilde açıklıyor:
“Ekskavatörler kule dönüşü yaparken makinanın azami basıncına yakın bir basıncı kullanırlar; bu sebeple en büyük enerji tüketimi kule dönüş esnasında gerçekleşir. Kullanılan yakıtın yaklaşık yüzde 40’ı kule dönüşü için harcanır. Çünkü üst kulenin çok ağır olması; bom, arm, kova ve makinanın gövdesini taşıyor olması sebebiyle dönerken basınç çok fazladır. Makina kazı yapacak, dönecek ve bir kamyona yükleme yapacak. Ekskavatörün çalışmasının yarıya yakınını dönmekle geçirdiğini göz önünde bulunduran Komatsu mühendisleri kule dönüş motorunu elektrikli yapmaya karar vermişler. Elektrik için ise bir kaynak gerekiyor. Çok yüksek bir güç gerektiği için otomobil veya forklift’lerdeki gibi akü ile çözmek mümkün olmuyor. Dolayısıyla motora bir jeneratör ekliyorlar. Bu jeneratörden elde edilen elektrik ile de kule dönüş sistemi tahrik ediliyor.”
Standart bir ekskavatörden farklı olarak Komatsu Hibrid Ekskavatör’lerinde bulunan temel parçalar ise şunlar:
- 4 silindirli daha küçük bir dizel motor
- Dizel motor ile ana hidrolik pompa arasında bulunan jeneratör motor
- Elektrikli kule dönüş motoru
- İnvertör
- Ultra kapasitör
HB215LC-1 modelinde, standart 20 ton sınıfı ekskavatörlerinde kullanılan 6 silindirli, 6,7 litre hacmindeki Komatsu motor yerine; 4 silindirli, 4,5 litrelik, 148 HP gücündeki Komatsu motor bulunuyor. Asıl ilginç olan, bu motorun rölanti ve çalışma devirlerindeki farklılık.
Standart makinalarda 1.400 devir/dakika olan rölanti devri Hibrid makinada 700 devir/dakika; 2.050 devir/dakika olan tam yük devri ise 1.800 devir/dakika olarak belirlenmiş. Böylesine düşük devirlerde aynı işin sağlanıyor olması yakıt tasarrufunun belki de en önemli sebebini oluşturuyor.
Ancak, daha küçük ve düşük devirli bir motor kullanıldığı için ilk yüke giriş anında, hareketlerde gecikme olmaması ve ideal yük devrine kolayca ulaşılabilmesi için hidrolik sistem elektrik ile destekleniyor. İşte düşük devir uyumu ile sağlanan yakıt tasarrufunun temeli burada yatıyor. Teknolojik açıdan oldukça önemli bir yenilik olan bu desteği sağlayan ise jeneratör motordur.
Dizel motor tarafından tahrik edilen jeneratör motor, sistem tarafından ihtiyaç duyulan tüm elektriği üretiyor ve motorun rölantide olduğu anlarda ise kapasitörü şarj ediyor.
Yeni geliştirilen elektrikli kule dönüş motoru aynı zamanda bir jeneratör görevi de yapıyor. Kule dönüşün frenlenmesi sırasında oluşan ve standart makinalarda ısı olarak atılan kinetik enerjiyi elektrik enerjisine çevirerek, inverter aracılığı ile depolanmak üzere ultra-kapasitöre gönderiyor. Depolanan enerji ihtiyaca bağlı olarak ya kule dönüş hareketi için ya da çeşitli çalışma koşullarında ihtiyaç duyulan ekstra gücü sağlanmak amacıyla motora destek olarak kullanılıyor.
İnvertör, üretilen elektriğin istenildiği şekilde kullanılmasını sağlayan ana hibrid kumanda ünitesi olarak tanımlanıyor. Tamamen elektrik tahrikli olarak yapılan kule dönüş ile hidrolik tahrikli diğer fonksiyonların (yürüyüş, bom, arm ve kova kontrolleri) tam bir uyum içerisinde yapılabilmesi için invertör büyük önem taşıyor.
Ultra kapasitör ise elektron depolamakla görevlidir. Elektrik bir elektron akışıdır ve kapasitörler de bu elektronları depolarlar. İhtiyaç anında bir iletken vasıtası ile bu elektronlar elektrik olarak tüketiliyor. Hibrid Komatsu Ekskavatörlerinde 6,5 Farad’lık ultra kapasitörler kullanılıyor. Ceyhun Savut kapasitörle ile ilgili olarak şunları söylüyor: “Kapasitör hazır enerjidir, kısa süreli kullanımlar içindir. 1 dakikada jeneratör tarafından doldurulur. Kule dönüşe başladığınız 1,5 dönüşte harcanır. Kapasitörün amacı ilk harekette gecikmeksizin elektrik enerjisini vermektir. Ondan sonra jeneratör çalışınca zaten kesiksiz bir çalışma oluyor. Hidrolikte aşınmalardan sonra gördüğümüz sarsılmalı, kayıplı hareketler yok. Çok düzgün bir dönüş hareketi var.”
Komatsu Eğitim Uzmanı Ceyhun Savut
Ne kadar çok kule dönüş, o kadar fazla yakıt tasarrufu
Yeni Komatsu HB215LC-1 ile yüzde 25’ten yüzde 40’a varan oranda yakıt tasarrufu sağlandığı belirtiliyor. Makina ile yapılan iş, yani motor yükü ve kule dönüş sıklığı burada belirleyici etken oluyor. Çünkü motorun sürekli yüksek devirde çalışması “düşük devir uyumu etkisini”, kule dönüşün az olması da “hibrid sistem” verimliliğini azaltıyor. Dolayısıyla sert kaya kazısı veya yıkım gibi işlerde yüzde 25’lerde olan yakıt tasarrufu; kamyona hazır malzeme yükleme işlerinde yüzde 40’lara varabiliyor.
Daha düşük egzoz emisyonu ve gürültü seviyesi
Yeni hibrid teknolojisi, egzoz gazındaki karbondioksit miktarını yüzde 25 azaltarak çevreye verilen zararı da azaltıyor. 20 ton sınıfı bir ekskavatörün çevreye verdiği egzoz emisyonunun 30 otomobilde karşılık geldiği belirtiliyor.
Yüksek dönüş hızlarında elektrik motorundan kaynaklanan yüksek frekanslı bir ses oluşmasına karşın toplam gürültü seviyesi standart modellere kıyasla yaklaşık 2,7 dB azaltılmış.
Bakım ve kullanımda dikkat edilmesi gerekenler
Kapasitörlerin en az bir motor revizyon ömrü kadar değişmeden kullanılması öngörülüyor. Sistem parçalarının 500 saate bir kontrolü gerekiyor. 1.000 saatte bir ise kule dönüş elektrik motorunun ve sistemin yağının değişmesi gerekiyor.
Bir otomobil veya forkliftten daha iyi izole edilmiş olmasına rağmen yine de bu makine üzerindeki hibrid sistem parçalarına dokunurken dikkatli olmak gerekiyor. Sistemde çok yüksek bir elektrik gücü bulunuyor. Standart bakım işleri dışında bir müdahale gerektiği zaman yetkili servise başvurmak gerekiyor.
Ayrıca, bu makinaların 45 derecenin üzerindeki sıcaklıklarda ve 1.800 metreden yüksek rakımda kullanılması tavsiye edilmiyor. Sıcaklık hibrid komponentler, yükseklik ise motor performansı üzerinde olumsuz etkiler yaratabiliyor.
Caterpillar 336E H Hibrid Ekskavatör
Dünyanın lider iş makineleri üreticisi Caterpillar, ilk olarak 2013 Bauma Fuarı’nda tanıttığı 336E H modelini pazara sunmadan önce oldukça uzun bir araştırma ve geliştirme süreci geçirdi. Öyle ki firma, Ar-Ge sürecinde hem elektrikli hem de hidrolik hibrid sisteminler üzerine çalıştı ve uzun süreli saha testleri ve değerlendirmelerden sonra hidrolik hibrid sisteminde karar kılındı.
300’den fazla yeni patent başvurusu ile geliştirilen 336E H’nin, standart bir 336E’ye kıyasla yüzde 25’e varan oranda yakıt tasarrufu sağladığı belirtiliyor. Yakıt verimliliği (ton başına yakıt tüketimi) söz konusu olduğunda ise bir önceki seri olan 336D’ye kıyasla yüzde 50’ye varan bir avantajdan söz ediliyor.
Yeni Cat 336E H’yi iş makineleri sektörü açısından bir ilk yapan en temel özelliği ise mevcut hibrid sistemli makinelerden farklı olarak elektrik değil, hidrolik gücü depolayarak kullanıyor olmasıdır. Ayrıca, şu ana kadar geliştirilen hibrid makineler 20-25 ton sınıfında yer alıyordu. Caterpillar, 37 ton gibi yüksek kapasiteli, üretime yönelik bir modelde hibrid teknolojisini ilk kullanan marka oldu.
Performansın ve tasarrufun temelindeki üç yeni teknoloji
Yeni 336E H’nin karışık olmayan, mevcut modellere kıyasla fiyat uçurumu yaratmayan ancak yakıt tasarrufu, yüksek performans ve enerjinin geri kazanımını sağlayan alt yapısında üç ana teknoloji bulunuyor:
1. Elektronik Standardize Programlanabilir (ESP – Electronic Standartized Programmable) Pompa: Elektronik kontrollü bu büyük pistonlu tip pompa, yapılan işin ihtiyacına bağlı olarak sistemin güç kaynakları olan motor ve hidrolik akümülatörler arasında yumuşak geçişler sağlıyor. Kule dönüş sistemi pompadan güç çekmediği için daha düşük motor devirlerinde aynı hidrolik akışı sağlayarak yakıt tasarrufu sağlıyor.
2. ACS (Adaptive Control System) Valfi: Makinenin bir anlamda beynini oluşturan bu yeni 12 dilimli (336D’de 6 dilimli) valf grubu, operatör gücü nerede ve ne zaman isterse çok daha hassas bir şekilde yönlendirerek performansı artırıyor.
3. Hidrolik Hibrid Kule Dönüş Sistemi: Kule dönüş hareketinin sonuna doğru operatörün frene her basışında oluşan kinetik enerji ile şarj edilen hidrolik akümülatörler, aksi yöndeki hareketin hızlanması esnasında bu depolanan enerjiyi kullanarak önemli oranda bir enerji geri kazanımını sağlamış oluyor. İçinde yağ ve gaz bulunan iki hidrolik akümülatör, makinenin arka ağırlık kısmında konumlandırılmış bulunuyor. Herhangi bir periyodik bakım ihtiyacı bulunmayan bu akümülatörlerin sadece her 5 bin saatte bir içerisindeki gaz miktarının kontrol edilerek, eksilmişse tamamlanması gerekiyor. Makine üzerinde ayrıca, bu akümülatörlerde basıncın düşmesi halinde destek sağlayan yardımcı bir akümülatör daha bulunuyor.
Daha büyük ve daha güçlü bir motor
Makinede, 336D’ye kıyasla yarım litre daha büyük silindir hacmine sahip, 9,3 litrelik, 308 hp gücünde yeni Cat C9.3 dizel motor bulunuyor. Avrupa Birliği’nde geçerli olan Stage 3B egzoz emisyon standartlarını karşılayan motor, dizel partikül filtresi (DPF) ile destekleniyor. Yanma esnasında oluşan partiküller doğaya salınmadan önce bu filtre üzerinde hapsediliyor. Bu biriken partiküller belirli bir seviyeye ulaştıktan sonra makine tarafından otomatik olarak (rejenerasyon sistemi) yakılıyor. Bu işlem için makinenin durması gerekmiyor veya herhangi bir performans kaybı yaşanmıyor. Ancak operatör çalışma koşulları gereği isterse bu işlemi devre dışı bırakabiliyor veya filtre daha erken doluluktayken devreye alabiliyor. Bunun dışında, DPF’in her 5 bin saatte bir temizlenmesi gerekiyor.
Yeni motor üzerinde yakıt tasarrufuna yönelik iki özellik daha bulunuyor:
1. On Demand Engine Power: Bu sistem makine hafif işlerde çalışırken veya rölantideyken motor hızını düşüyor ve bir yük hissetmesi anında otomatik olarak artırıyor.
2. Engine Idle Shutdown: Makinenin, belirlenen bir süreden daha fazla rölantide kalması halinde motoru otomatik olarak durdurarak yakıt tasarrufu ve emisyon azalışı sağlanıyor.
Kule dönüş ve seri iş çevrimi ile artan tasarruf
Yapılan her türlü işte yüksek yakıt verimliliği sağlayan 336E H’nin, özellikle yüksek hacimli kamyon yükleme ve kanal kazısı gibi kule dönüşün fazla ve iş çevriminin seri olduğu işlerde en yüksek yakıt avantajına ulaştığı belirtiliyor. Ayrıca bu esnada güç veya üretkenlikten herhangi bir taviz verilmiyor.
Daha düşük egzoz emisyonuna sahip olan 336E H, azalan gürültü seviyesi ile şehir içi uygulamaları ve gece çalışmaları için de avantaj sağlıyor. Motor için ultra düşük sülfür seviyeli dizel veya B20’ye kadar biodizel yakıt kullanılabiliyor.
Hitachi ZH210LC Hibrid Ekskavatör
Hitachi’nin yeni hibrid modeli ZH210LC, temsil ettiği yeni ekskavatör neslinin ilk üyeleri arasında yer alıyor ve hidrolik, elektrikli, akülü ekskavatörlerin gelişmiş özelliklerini birleştirme iddiasını taşıyor.
Firmaya göre, sonuçta ortaya çıkan TRIAS HX sistemi, melez tahrikle yüksek enerji verimliliği sunan TRIAS hidrolik sisteminin bir araya gelmesi, son derece düşük yakıt tüketimi değerlerinin elde edilmesi anlamını taşıyor.
TRIAS hidrolik sisteminin üç pompa ve üç kontrol valfinden oluşan tasarımının, daha yüksek hassasiyet temin ettiği ve basınç kayıplarını azaltarak enerji tasarrufu sağladığı belirtiliyor. Makinede bulunan elektrikli güç destek sistemi ise, fazla güç gerektirmeyen dönüş işlemlerinde devreye girerek, dizel yakıt kullanımı yerine, elektrikli dönüş motorlarından gelen enerjinin kullanılmasını sağlıyor.
Liebherr R9XX Hibrid Ekskavatör
Her ne kadar henüz pazara sunulmamış olsa da, Liebherr’in kendine has yenilikçi hibrid ekskavatör teknolojisi 2013’te Almanya’da düzenlenen Bauma Fuarı’nda sırlarıyla birlikte gözler önüne serildi. Fuarda R9XX olarak tanımlanan makinenin gerçek modeli ise resmi lansmanı ile birlikte netleşecek.
Hibrid kategorisine Caterpillar gibi 40-44 ton gibi yüksek bir tonaj sınıfıyla giren Liebherr R9XX, hem hidrolik hem de elektrikli hibrid sistemlerini bir arada bünyesinde taşıyor. Düşük yakıt tüketimi ve daha iyi elleçleme performansı sağlayacağı belirtilen R9XX ‘te tonaj sınıfına kıyasla daha küçük bir motor kullanılması bekleniyor.
Elektronik kontrol ünitesi, elektrikli kule dönüş motoru, hidrolik akümülatör, süper kapasitör, vb. ana komponentler makineyi emsallerinden farklılaştıracak. Sistemde hem kule dönüş hem de hidrolik sistemdeki atıl enerjilerin kaybedilmeden tekrar kullanılması sağlanacak.