كتبت : حبيبة جمال
تعمل JCB على المضي قدمًا في مشروع محرك الهيدروجين – وبدلاً من أن تكون سرية قبل الإطلاق التجاري، فقد عقدت الشركة إيجازات مفصلة للكشف عن كل ما تعلمته حتى الآن.
كان الأمر بعد أيام فقط من إعلان JCB أنه مشروع محرك يعمل بالوقود الهيدروجين بقيمة 100 مليون جنيه إسترليني ، حيث بدأ هاتف Tim Burnhope في الرنين بمكالمات من المزارع والعقارات مدفوعين، على الأرجح ، بالاستنتاج القاطع الذي توصل إليه JCB بأن غاز الهيدروجين الذي يغذي محرك الاحتراق الداخلي هو السبيل للذهاب للبناء الثقيل والآلات الزراعية ، سعى المستفسرون للحصول على إرشادات حول كيفية الاستفادة من موارد الطاقة المتجددة لـ “تكسير ” المياه إلى “خضراء ” هيدروجين.
قال كبير مسؤولي الابتكار في JCB: “لقد كان رد فعل كاشفاً للغاية”، “في الزراعة، هناك فرصة كبيرة مع طاقة الرياح والطاقة الشمسية لشحن صندوق بطارية كبير، أو صنع وقود الهيدروجين ، وهناك الكثير من الاهتمام والإثارة بشأن هذه الإمكانات.”
ظل بورن هوب وزملاؤه منشغلين في السنوات الأخيرة باستكشاف القضية المعقدة المتعلقة بكيفية استبدال الديزل بمصدر طاقة مستدام يناسب الآلات الثقيلة ويوفر المرونة والتزود بالوقود بسرعة.
خيارات مختلفة
تم تقييم خيارات مختلفة، بما في ذلك الكهرباء من البطاريات وخلايا وقود الهيدروجين، وأنواع الوقود البديلة لمحركات الاحتراق الداخلي مثل HVO (زيت نباتي معالج بالهيدروجين) ، والغازات الحيوية المختلفة، والأمونيا ، والوقود الإلكتروني الذي ، على سبيل المثال ، يجمع بين الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون (CO2).
قال بورن هوب: “للبطاريات مكان في المعدات الخفيفة ، كما يتضح من مجموعة منتجات E-Tech الخاصة بنا ، بما في ذلك الرافعة التليسكوبية المدمجة 525-60E ، ورافعات الموقع والرافعات الشوكية الصناعية ، وحفاراتنا الكهربائية الصغيرة”، “إن الرافعة الكهربائية ليست أثقل من نظيرتها التي تعمل بالديزل وتدير بطاريات تبلغ قيمتها 10.000 جنيه إسترليني من بطاريات 24 كيلو وات في الساعة بسبب دورة عملها المتقطعة.
“لكننا حسبنا أن إعطاء قوة كهربائية مكافئة من Fastrac بقوة 300 حصان لمدة ثماني ساعات في اليوم سيتطلب 500 كيلو واط في الساعة من البطاريات ، مما يضيف خمسة أطنان إلى الوزن ، ويكلف 200 ألف جنيه إسترليني ويزيد تكلفة الماكينة بأكثر من 2.5 مرة!”
لقد سلك JCB أيضًا مسار خلايا وقود الهيدروجين، حيث أنشأ نموذجًا أوليًا للحفارة بزاوية 360 درجة تم نشره على نطاق واسع لإثبات التكنولوجيا في هذا التطبيق الصعب، كما يقول بورنهوب ، مع الاستفادة من الخبرة، يعتبر حل خلايا الوقود ميتًا ومدفونًا لأنه “معقد للغاية بالنسبة للأسواق التي نخدمها، ولا يوفر استجابة كافية للآلات التي تحتاج إلى توصيل سريع للطاقة”.
خلايا الوقود
“إن خلية الوقود جهاز خامل للغاية. كان نموذج الحفار الأولي الخاص بنا يحتوي على بطاريات بقيمة 32000 جنيه إسترليني لتوفير استجابة طاقة أولية قبل أن تتفاعل خلايا الوقود – وتحتاج إلى ما يقرب من ثلاثة أضعاف قدرة التبريد لمحرك ديزل مكافئ. “
وأشار إلى أن خلايا الوقود غالية الثمن ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنه يتم تصنيع القليل منها. من المعروف أن شركة تويوتا ، أكبر شركة مصنعة، تنتج 2000 فقط سنويًا على عكس 20 مليون بطارية وإنتاج JCB السنوي البالغ 80 ألف محرك ديزل.
وأضاف بورن هوب: “فيما يتعلق بوقود الاحتراق الداخلي البديل ، فقد كنا متحمسين للغاية بشأن معظمها ، لكننا اكتشفنا بعد ذلك سلبياتها وعيوبها”.
“في النهاية ، خلصنا إلى أن خصائص غاز الهيدروجين توفر أفضل حل لوقود متنقل بنفس الراحة التي يوفرها الديزل – أي موقع إمداد مرن وإعادة التزويد بالوقود بسرعة لأقصى وقت تشغيل – أثناء استخدام وحدة الطاقة التي نستخدمها كلهم على دراية من حيث التصنيع والتركيب والاستخدام والصيانة والخدمة”.
مع هذا الاستنتاج جاء تحدٍ جديد لمهندسيه من رئيس مجلس إدارة JCB ، أنتوني بامفورد: تصميم محرك يعمل بالهيدروجين له نفس خصائص القوة وعزم الدوران وتوصيل الطاقة مثل محرك الديزل.
قال اللورد بامفورد: “علينا أن نتذكر أن الديزل ينفد”، “لا يوجد خيار سوى العمل مع بديل- لقد تعلمنا قدرًا كبيرًا خلال فترة زمنية قصيرة ونحن مقتنعون بأن الهيدروجين هو الحل الأفضل.”
بعد ذلك بعامين، تقريبًا حتى اليوم ، واجه فريق هندسة الهيدروجين في JCB هذا التحدي ، ليس من خلال التحويل، كما يصر ريان بالارد، مدير هندسة توليد القوة، “ولكن بمحرك جديد يحمل الحمض النووي لمحركات الديزل الحالية لدينا”.
في الربع الرابع من عام 2022، مرت دفعات صغيرة من JCB 448 ABH2 سعة 4.8 لترًا عبر مصنع JCB Power Systems في فوستون ، بالقرب من ديربي، وبحلول أوائل ديسمبر تم تجميع 50 وحدة تاريخية.
برنامج مكثف
وهي تساهم الآن في برنامج مكثف لاختبارات التحقق من الصحة، يعمل لمدة 150 ساعة تحت حمولة ثقيلة للغاية، وما يصل إلى 3000 ساعة من العمل من خلال دورات التحميل المتنوعة على نطاق واسع التي قد يواجهها محرك الإنتاج في الآلات المختلفة.
كشف بالارد عن المحرك الجديد، موضحًا: “بادئ ذي بدء، درسنا المشاريع السابقة لتحويل محركات البنزين أو الديزل للعمل على الهيدروجين ووجدنا أنها فشلت جميعًا، وهو ما أخبرنا أن هذا ليس الحل، لذلك عدنا إلى المبادئ الأولى، بتحسين جميع جوانب تصميم المحرك للهيدروجين، وهو غاز خفيف جدًا ومنخفض الكثافة “.
أدى ذلك إلى تحديد احتياجات حقن الوقود وتصميم غرفة الاحتراق، مما أدى إلى ضغط منخفض ونظام درجة حرارة منخفضة باستخدام نظام حقن بالسكك الحديدية المشتركة وشاحن توربيني منخفض القصور الذاتي مصمم خصيصًا لهذا الغرض.
“كان التحدي الكبير هو تحقيق مزيج متجانس تمامًا من هذا الغاز الخفيف والهواء في غضون 28 مللي ثانية فقط ، لذلك لدينا حقن غير مباشر بالغاز المسحب للداخل وبدأنا في الاختلاط مع الهواء القادم من التوربو قبل خصائص دوامة غرفة الاحتراق – التي تم إتقانها من خلال ما يقرب من 160 اختبارًا حسابيًا لديناميكا الموائع – تكمل العملية”.
قام الفريق الهندسي، المدعوم بنحو مائة من المهندسين المعينين حديثًا من ذوي الخبرة في علم المعادن والزيوت والتخصصات الأخرى ، بتطوير شمعات إشعال عالية التقنية ذات عمر خدمة مقبول، ونظام إشعال بملفات خاصة لتنشيطها.
محرك الديزل
يتم مشاركة التغييرات الطفيفة في قنوات التشحيم بعيدًا عن بعضها البعض، والكتلة، والساعة، والحوض، والملحقات مع محرك الديزل، مما يوفر بعض الاقتصاديات المرحب بها، والتي تنطبق أيضًا على متطلبات التبريد حيث أن طرد حرارة المحرك هو نفس محرك الديزل.
قال بالارد إن السعي وراء القواسم المشتركة والألفة امتد أيضًا إلى الضوضاء التي يصدرها المحرك: “إنه يحتوي على توقيع ضغط أكثر ليونة، لذا فهو أهدأ قليلاً من الديزل، لكننا أردنا أن يبدو مألوفًا ونشعر أيضًا بأنه مألوف في الاستخدام، أن المشغلين الذين اعتادوا العمل مع الآلات التي تعمل بالديزل لا يلاحظون فرقًا كبيرًا “.
سيتم إعادة تزويد المركبات المجهزة بالمحرك الجديد بالوقود من صهاريج ثابتة أو متحركة باستخدام مزيج من خراطيم الضغط العالي، أحدهما لملء الخزان والآخر لتطهير خرطوم التوصيل، مع فارق الضغط بين خزان التخزين أو الخزان عند 500 بار وخزان السيارة عند 350 بار مما يلغي الحاجة إلى مضخة.
وبالمناسبة ، ينخفض ضغط 350 بارًا إلى 20 بارًا فقط للرحلة إلى المحرك بحيث يمكن استخدام أنابيب الضغط المنخفض التقليدية.
وعد بورنهوب، “سعة خزان الوقود ستكون بالقدر الذي تحتاجه الآلة ليوم عمل كامل”،”ربما مع حل الخزان الإضافي المتاح للمشغلين الذين يعملون لساعات طويلة جدًا.”
