건설기계 동력의 변화(1)

건설기계 동력의 변화(1)

건설기계산업연구원장 김인유

 

 

건설기계와 관련해 모든 사람에게 물어보면 디젤 동력의 미래에 대한 의견을 갖게 될 것이다. 어떤 사람들은 전기 장비의 도입이 증가함에 따라 퇴로를 걷고 있다고 말하기도 하고, 다른 사람들은 건설 현장에서 자리를 잡을 것이라고 말하기도 한다. 한 가지 확실한 것은 대안이 있으며 일부는 실용성과 비용 측면에서보다 현실적인 선택지가 되고 있다는 것이다.

 

건설기계의 하이브리드화 및 전기화는 탄력을 받는 추세다. 그것은 AC 드라이브 모터 또는 다른 동력원과 결합한 엔진에 의해 구동되는 디젤 전기 기계에서 시작되었다.

 

오늘날 리튬 이온 배터리 기술은 보편화 되고 있으며 수소 연료 전지(HFC : hydrogen fuel cells)가 곧 나타나게 될 것이다. 그리고 오래된 내연 기관도 존재하여 어떤 동력이 환경 및 성능 측면에서 가장 좋은 선택인지 의문을 제기하기도 한다.

모든 기술의 목표는 장비 소유자에게 엄청난 비용 증가 없이 고성능 기준을 유지하면서 탄소 배출량을 줄이는 것이다.

“커민스 스테이지 V 퍼포먼스 시리즈 엔진은 '더 적은 비용으로 더 많은 것을 제공'한다는 철학으로 개발되었다.”라고 Cummins의 글로벌 오프 하이웨이 마케팅 커뮤니케이션 디렉터인 Steve Nendick은 설명한다. "이들은 Stage IV 이전 제품과 비교할 때 75-321kW 범위에서 평균 10% 더 많은 전력과 20% 더 많은 토크를 제공한다.“

Cummins는 4기통 F3.8 및 B4.5 엔진이 크기에 비해 높은 출력 밀도를 가지고 있어 제조업체가 장비 기능을 개선하고 장비 소유자에게 가치를 더할 수 있다고 주장한다.

 

“Cummins B6.7 엔진은 이전 모델보다 30% 이상의 토크를 생성하므로 OEM은 배기량이 많은 엔진을 축소하고 교체할 수 있다.”라고 Nendick은 말합니다. "이는 생산성에 영향을 미치지 않으면서 설치 비용을 절감할 뿐만 아니라 운영자의 운영 비용도 절감한다.“

 

이러한 엔진과 후 처리 시스템은 이전보다 더 작고 가벼워서 더 효율적이며 잠재적으로 연료 사용과 CO2 배출량을 줄입니다. “또 다른 대안은 GAS(액화 석유 가스)입니다.”라고 Kubota UK의 건설 사업 개발 관리자인 Glen Hampson은 말합니다. “우리는 이것을 전통적인 디젤과 전기의 중간 지점으로 봅니다. GAS의 장점은 전기보다 훨씬 저렴한 초기 구매 가격과 전문적인 충전 인프라 없이 하루 종일 작업을 수행할 수 있다는 점입니다.”

그는 계속해서“운영자들은 3분 이내에 장치의 가스 실린더를 교체할 수 있습니다. GAS 기계는 또한, 디젤보다 소음과 진동이 적고, 핵심 설계로 엔진 내구성을 유지합니다.”

 

1. 건설기계의 하이브리드 동력

 

디젤 엔진은 소음 공해 및 탄소에 대한 변화하는 환경 규정 내에서 더 깨끗하고 작아지고 효율성이 높아지는 동안 건설기계 제조업체는 off-highway 장비에 필요한 성능 요구 사항을 충족할 수 있는 디젤 전기 솔루션도 개발하고 있다.

 

"디젤 엔진을 전기 구동계와 페어링하면 연료 효율 향상, 소음 감소, 운영 비용 절감 및 안정적인 출력 등 전기화에 기대되는 것과 같은 이점을 제공할 수 있지만 디젤 엔진에서 기대할 수 있는 내구성이 추가됩니다."라고 John Deere Power Systems의 마케팅 지원 Sandrine Couasnon 매니저는 말합니다.

 

John Deere의 644K 및 944K 휠 로더는 전기 구동 기술을 활용한 최초의 기계중 일부였습니다. Couasnon에 따르면, 그들은 현재까지 현장에서 총 150만 시간 이상을 기록했습니다.

 

Caterpillar는 최근 ConExpo에서 800hp 디젤 및 600hp 하이브리드를 총 1,400hp에 대해 저소음 및 제로 배기가스를 제공하는 EU Stage V C18 하이브리드 엔진을 선보였다. 회사에 따르면 Cat C18 하이브리드 개념은 필요한 경우 에너지를 기계에 다시 도입하는 병렬 하이브리드 시스템을 통해 잉여 에너지를 포착하여 기계 성능을 최적화하는 데 도움이 된다는 것이다.

하이브리드 개념의 제품 개발 관리자인 James Gardiner는“하이브리드 시스템은 OEM과 최종 사용자에게 많은 이점을 제공합니다.

"우리는 엔진, 하이브리드 시스템, 구동계 및 기타 구성 요소를 포함한 전체 기계 시스템과 기계의 적절한 통합을 통해 엔진 소형화, 소음 및 배출 수준 감소, 기계 성능 향상 및 기타 많은 효율성 향상을 달성합니다."

Perkins는 ConExpo에서 네 가지 새로운 하이브리드 개념을 선보였다. Perkins Syncro 4기통 2.8리터 904J-E28TA는 최대 380Nm의 토크로 최대 55kW(74hp)를 제공합니다.

 

퍼킨스는 또한 OEM에 제로 방출, 제로 노이즈, 전기 전용 모드를 제공하는 새로운 2세대 하이브리드 전기 개념을 선보였다.

“Perkins는 고객에게 더 많은 선택권을 제공하고 가치를 높이는 데 주력하고 있다. 4가지 하이브리드 개념은 기계 효율성을 한 단계 끌어 올릴 미래 기술의 예입니다.”라고 Perkins의 전기 화 마케팅 관리자인 Tom Nankervis가 말했다.

"우리의 다양한 하이브리드 엔진을 통해 고객은 엔진 크기를 줄이고 피크 부하에 하이브리드 동력을 사용하거나 디젤 엔진의 출력을 줄여 최대 20%까지 연료 소비를 낮추도록 선택할 수 있습니다.“

2. 건설기계의 전기화 추진력

 

특히 소형 기계에서 전기화는 건설기계용 디젤 동력의 주요 대안이 되고 있다. 2019년 초부터 2020년 중반까지 다양한 전기 소형 굴착기(EC15 ~ EC27) 및 휠 로더(L20 ~ L28)를 출시할 것이라고 발표한 Volvo CE와 같은 제조업체가 디젤 엔진 기반으로 하는 새로운 디젤엔진개발을 중단하고 동력을 전기화로 이동하고 있다. 그러나 모든 것을 단일 솔루션으로 적용하는 것은 없다고 말하는 것이 중요합니다.

 

Couasnon은“사용되는 오프 하이웨이 애플리케이션은 매우 다양하므로 단일 전기화 솔루션으로는 해결할 수 없다는 것이다. "전기화는 여전히 시장 부문에 새로운 기술이며, 일부 제조업체의 경우 기존 제품 라인에 전기화 차량 몇 대를 도입할 것으로 보인다. "우리 엔지니어들은 기존의 변속기에 차량 섀시의 변경을 최소화하면서 통합할 수 있는 주요 전기 구동계 구성 요소를 발견하였다.”

 

완전한 전기화를 위하여 Cummins는 기술 회사인 Brammo, JMBS 및 EDI를 인수하였고, 여러 제조업체와 함께 산업 프로젝트를 주도했다고 Nendick은 말합니다.

Cummins는 XCMG와 협력하여 직렬 구성으로 연결된 8개의 Cummins 배터리 모듈을 사용하여 3.5톤 전기 굴착기용 전력을 개발했다. “35kWh의 총 에너지를 생산하는 이 제품은 배출 가스가 없고 소음이 적어 도시 건설 현장 사용에 이상적입니다.”

MAN Engines & Components의 판매 엔진 이사인 Juergen Haberland는 전기 드라이브가 광범위한 RPM에서 즉각적인 토크를 제공하는 이점이 있다고 언급하였다.

이것은 매우 바람직한 특성이며, 그리고 유지 보수 측면이 쉽다는 것이다. 그러나 에너지 저장은 시간이 지남에 따라 감소하여 단점으로 나타나고 있다. 기술이 환상적이라고 말하고 싶지만 많은 응용 분야에서 새로운 개념을 성공적으로 구현하려면 배터리의 크기와 무게를 줄여야 할 것이다.