Energijo, ki je potrebna za pogon zemeljskih vozil in za upravljanje njihovih sistemov in sklopov, tradicionalno zagotavljajo dizelski motorji. Zmanjšanje porabe goriva ne poveča le dosega, ampak tudi zmanjša količino logistike, ki je določena z vzdrževanjem rezerv goriva, in poveča zaščito zadnjega servisnega osebja v procesu servisiranja opreme.
V zvezi s tem si oborožene sile prizadevajo najti rešitev, v kateri bi visoka učinkovitost in visoka specifična toplota zgorevanja dizelskega goriva, značilna za sisteme z električnim pogonom, delovala v eni "ekipi". Nove hibridne rešitve in napredni motorji z notranjim izgorevanjem imajo poleg tihega enojnega električnega pogona, tihega nadzora (senzorji na baterije v mirovanju) in proizvodnje energije za zunanje porabnike potencial, da ponudijo velike praktične koristi.
Potencial pogonskega sklopa
Raziskava Kanade (DRDC) na primer raziskuje izvedljivost hibridnih dizelsko-električnih pogonov. FDA je svojo raziskavo objavila leta 2018, pri čemer se je osredotočila na lahke taktične platforme, kot so HMMWV, ultralahka bojna vozila razreda DAGOR ter majhna eno- in večsedežna ATV.
Poročilo O izvedljivosti hibridnih dizelsko-električnih pogonskih sklopov za lahka taktična vozila ugotavlja, da imajo hibridi v večini načinov vožnje, kjer se hitrosti in obremenitve zelo razlikujejo (običajno zunaj ceste) 15% -20% boljšo porabo goriva glede na porabo goriva. tradicionalni stroji z mehanskim pogonom, zlasti pri uporabi regenerativnega zaviranja. Poleg tega se motorji z notranjim zgorevanjem, vključno z dizelskimi motorji, najbolje obnesejo, ko delujejo pri skrbno izbranih konstantnih vrtljajih, kar je značilno za zaporedne hibridne sisteme, v katerih motor deluje le kot generator.
Kot je zapisano v poročilu, ker je moč motorja v kratkih obdobjih največje porabe energije mogoče dopolniti z baterijami, je mogoče motor nastaviti tako, da zagotavlja le povprečno potrebno moč, pri manjših pogonskih enotah pa na splošno porabijo manj goriva, pri vseh drugih pogojih.
Z zadostno kapaciteto akumulatorja lahko hibridi dolgo ostanejo v tihem načinu spremljanja pri ugasnjenem motorju in delujočih senzorjih, elektroniki in komunikacijskih sistemih. Poleg tega lahko sistem napaja zunanjo opremo, polni baterije in celo napaja vojaški tabor, kar zmanjšuje potrebo po vlečenih generatorjih.
Medtem ko hibridni pogoni ponujajo vrhunske zmogljivosti v smislu hitrosti, pospeševanja in stopnjevanja sposobnosti, je lahko baterija težka in okorna, kar ima za posledico zmanjšano nosilnost, je dejal DRDC. To je lahko problem za ultralahka vozila in enoprostorce. Poleg tega se pri nizkih temperaturah zmanjšajo lastnosti samih baterij, pogosto imajo težave s polnjenjem in nadzorom temperature.
Čeprav zaporedni hibridi odpravljajo mehanski menjalnik, jih potreba po motorju, generatorju, pogonski elektroniki in bateriji neizogibno otežuje in draga za nakup in vzdrževanje.
Večina elektrolitov v bateriji lahko predstavlja tudi tveganje, ko so poškodovani, na primer litij-ionske celice se vnamejo, ko se poškodujejo. Morda je sporno, ali to predstavlja večje tveganje kot dobava dizelskega goriva, poudarja poročilo, vendar hibridi nosijo obe nevarnosti.
Kombinirana izbira
Dve glavni shemi za združevanje motorjev z notranjim zgorevanjem z električnimi napravami sta serijski in vzporedni. Kot je bilo omenjeno zgoraj, je serijska hibridna platforma električni stroj z generatorjem, medtem ko sta vzporedno motor in vlečni motor, ki prek mehanskega prenosa, ki je z njimi povezan, prenašata moč na kolesa. To pomeni, da lahko motor ali vlečni motor stroj poganjata posamično ali pa delata skupaj.
Pri obeh vrstah hibridov je električna komponenta običajno motor-generator (MGU), ki lahko pretvori električno energijo v gibanje in obratno. Lahko vozi avto, polni baterijo, zažene motor in po potrebi prihrani energijo z regenerativnim zaviranjem.
Serijski in vzporedni hibridi se za upravljanje moči baterije in uravnavanje temperature baterije opirajo na energetsko elektroniko. Zagotavljajo tudi napetost in jakost, ki jih mora generator napajati z baterijami, baterije pa z elektromotorji.
Ta energetska elektronika je v obliki polprevodniških pretvornikov na osnovi polprevodnikov iz silicijevega karbida, katerih pomanjkljivosti praviloma vključujejo velike velikosti in stroške ter toplotne izgube. Močna elektronika zahteva tudi krmilno elektroniko, podobno tisti, ki poganja motor z notranjim zgorevanjem.
Doslej je bila zgodovina vojaških vozil na električni pogon sestavljena iz eksperimentalnih in ambicioznih razvojnih programov, ki so bili na koncu zaprti. V resničnem obratovanju še vedno ni hibridnih vojaških vozil, zlasti na področju lahkih taktičnih vozil, ostaja več nerešenih tehnoloških težav. Te težave se lahko štejejo za večinoma rešena za civilna vozila, saj delujejo v veliko ugodnejših razmerah.
Električni avtomobili so se izkazali za zelo hitre. Na primer, eksperimentalni štirisedežnik nepremišljenih taktičnih vozil (UTV) Nikola Motor, ki ga poganja baterija, lahko v 4 sekundah pospeši od 0 do 97 km / h in ima doseg 241 km.
"Postavitev pa je eden tistih velikih izzivov," pravi poročilo DRDC. Velikost, teža in odvajanje toplote baterij so precej velike, zato je treba sklepati kompromis med skupno energijsko zmogljivostjo in trenutno močjo, ki jo lahko dajo za določeno maso in prostornino. Dodelitev prostornine visokonapetostnih kablov, njihova zanesljivost in varnost so prav tako ozka grla skupaj z velikostjo, težo, hlajenjem, zanesljivostjo in hidroizolacijo močnostne elektronike.
Toplota in prah
Poročilo pravi, da so temperaturna nihanja, s katerimi se soočajo vojaška vozila, morda največji problem, saj se litij-ionske baterije pri temperaturah pod ničlo ne polnijo, ogrevalni sistemi pa dodatno zapletejo in potrebujejo energijo. Baterije, ki se med praznjenjem pregrejejo, so potencialno nevarne, zato jih je treba ohladiti ali zmanjšati na znižani način, motorji in generatorji pa se lahko tudi pregrejejo, na koncu pa ne pozabimo na trajne magnete, ki so nagnjeni k razmagnetitvi.
Podobno se pri temperaturah nad približno 65 ° C učinkovitost naprav, kot so pretvorniki IGBT, zmanjša in zato potrebuje hlajenje, čeprav novejša energetska elektronika na osnovi polprevodnikov iz silicijevega karbida ali galijevega nitrida poleg delovanja pri povišani napetosti vzdrži višje temperature in, zato se lahko hladi iz hladilnega sistema motorja.
Poleg tega udarci in vibracije zaradi neravnega terena ter potencialna škoda, ki bi jo lahko povzročili granatiranje in eksplozije, otežujejo integracijo tehnologije električnega pogona v lahka vojaška vozila, ugotavlja poročilo.
Poročilo zaključuje, da bi moral DRDC naročiti tehnološkega demonstratorja. Gre za sorazmerno preprosto lahko zaporedno hibridno taktično vozilo z elektromotorji, nameščenimi v pestoh koles ali v osi, dizelski motor je nastavljen na ustrezno največjo moč, za izboljšanje pospeševanja in stopnjevanja sposobnosti pa je nameščen niz super- ali ultrakondenzatorjev. Superkondenzatorji ali ultrakondenzatorji za kratek čas shranijo zelo velik naboj in ga lahko zelo hitro sprostijo, da ustvarijo impulze moči. Avtomobila sploh ne bo ali pa bo vgrajen zelo majhen akumulator, med regenerativnim zaviranjem bo nastala elektrika, zato so načini tihega gibanja in tihega opazovanja izključeni.
Napajalni kabli, ki vodijo samo do koles in nadomeščajo mehanski menjalnik in pogonske gredi, bodo znatno zmanjšali težo stroja in izboljšali zaščito pred eksplozijo, saj je odstranjevanje sekundarnih naplavin in drobcev odstranjeno. Brez baterije se bo notranja prostornina posadke in nosilnost povečala in postala varnejša, težave, povezane z vzdrževanjem in toplotnim upravljanjem litij-ionskih baterij, pa bodo odpravljene.
Poleg tega so pri ustvarjanju prototipa postavljeni naslednji cilji: manjša poraba goriva razmeroma majhnega dizelskega motorja, ki deluje pri konstantnih vrtljajih, v kombinaciji z rekuperacijo energije, povečana proizvodnja energije za senzorje delovanja ali izvoz energije, večja zanesljivost in izboljšana storitev.
Udarcem je vseeno
Kot je na predstavitvi razvoja motorjev pojasnil Bruce Brandl iz oklepnega raziskovalnega centra (TARDEC), si ameriška vojska želi pogonski sistem, ki bo svojim bojnim vozilom omogočal premikanje po težjem terenu z večjo hitrostjo, kar bo znatno zmanjšalo odstotek terena na vojnih območjih, na katerih se sedanji avtomobili ne morejo premikati. Tako imenovani neprehodni teren predstavlja približno 22% teh območij, vojska pa želi to število zmanjšati na 6%. Prav tako želijo povečati povprečno hitrost na večini območja z današnjih 16 km / h na 24 km / h.
Poleg tega je Brandl poudaril, da se načrtuje, da se bo potreba po energiji na krovu povečala na najmanj 250 kW, to je višje od tistega, kar lahko zagotovijo generatorji stroja, saj nove obremenitve dodajajo obremenitve, na primer elektrificirani stolpi in zaščitni sistemi, hlajenje energetske elektronike., izvoz energije in orožje z usmerjeno energijo.
Ameriška vojska ocenjuje, da bo zadovoljevanje teh potreb s sedanjo tehnologijo turbodizlov povečalo prostornino motorja za 56% in težo vozila za približno 1400 kg. Zato je bila pri razvoju svoje napredne elektrarne Advanced Combat Engine (ACE) postavljena glavna naloga - podvojiti skupno gostoto moči s 3 KM / kubik. ft do 6 KM / cu. stopalo.
Medtem ko sta večja gostota moči in boljša poraba goriva zelo pomembni za naslednjo generacijo vojaških motorjev, je enako pomembno zmanjšati toplotno moč. Ta proizvedena toplota se izgublja z energijo, ki se razprši v okoliški prostor, čeprav bi jo lahko uporabili za pogon ali proizvodnjo električne energije. A še zdaleč ni vedno mogoče doseči popolnega ravnovesja vseh teh treh parametrov, na primer plinskoturbinskega motorja AGT 1500 rezervoarja M1 Abrams z zmogljivostjo 1500 KM. ima nizek prenos toplote in visoko gostoto moči, vendar zelo veliko porabo goriva v primerjavi z dizelskimi motorji.
Dejansko plinskoturbinski motorji proizvajajo veliko toplote, vendar se večina zaradi velike stopnje pretoka plina odstrani skozi izpušno cev. Posledično plinske turbine ne potrebujejo hladilnih sistemov, ki jih potrebujejo dizelski motorji. Visoko specifično moč dizelskih motorjev je mogoče doseči le z reševanjem problema toplotne regulacije. Brandl je poudaril, da je to predvsem posledica omejene količine hladilne opreme, kot so cevovodi, črpalke, ventilatorji in radiatorji. Poleg tega zaščitne strukture, kot so neprebojne rešetke, prav tako prevzamejo volumen in omejijo pretok zraka ter zmanjšajo učinkovitost ventilatorjev.
Bati proti
Kot je opozoril Brandl, se program ACE osredotoča na dvotaktne dizelske motorje / motorje na več goriv z nasprotnimi bati zaradi njihove lastne nizke toplotne toplotne moči. Pri takšnih motorjih sta v vsak valj nameščena dva bata, ki med seboj tvorita zgorevalno komoro, zaradi česar je izključena glava valja, vendar to zahteva dve ročični gredi in sesalni in izpušni odprtini v stenah cilindra. Boksarski motorji segajo v trideseta leta prejšnjega stoletja in se skozi desetletja nenehno izboljšujejo. Te stare zamisli ni prizaneslo niti podjetju Achates Power, ki je v sodelovanju s podjetjem Cummins oživelo in posodobilo ta motor.
Tiskovni predstavnik Achates Power je dejal, da je njihova boksarska tehnologija izboljšala toplotno učinkovitost, kar pomeni manjše toplotne izgube, boljše zgorevanje in manjše izgube pri črpanju. Odprava glave valja je bistveno zmanjšala razmerje med površino in prostornino v zgorevalni komori ter s tem prenos in sproščanje toplote v motorju. Nasprotno pa v tradicionalnem štiritaktnem motorju glava valja vsebuje veliko najbolj vročih sestavnih delov in je glavni vir prenosa toplote v hladilno tekočino in okoliško ozračje.
Zgorevalni sistem Achates uporablja dvojne brizgalne goriva, ki so diametralno nameščene v vsakem cilindru in patentirano obliko bata za optimizacijo mešanice zrak / gorivo, kar ima za posledico nizko zgorevanje saj in zmanjšan prenos toplote na stene zgorevalne komore. Svež naboj mešanice se vbrizga v valj, izpušni plini pa izstopijo skozi odprtine, ki jim pomaga polnilnik, ki črpa zrak skozi motor. Achates poudarja, da ima ta sočasni izpust ugoden učinek na porabo goriva in emisije.
Ameriška vojska želi, da družina modularnih prilagodljivih pogonskih sklopov ACE vključuje motorje z enako vrtino in hodom ter različnimi števili cilindrov: 600-750 KM. (3 valji); 300-1000 KM (4); in 1200-1500 KM. (6). Vsaka elektrarna bo zasedla prostornino - višino 0,53 m in širino 1,1 m in s tem dolžino 1,04 m, 1,25 m in 1,6 m.
Tehnološki cilji
Notranja vojaška študija, ki je bila izvedena leta 2010, je potrdila prednosti boksarskih motorjev, kar je povzročilo projekt Next Generation Combat Engine (NGCE), v katerem so industrijska podjetja predstavila svoj razvoj na tem področju. Naloga je bila doseči 71 KM. na valj in skupno moč 225 KM. Do leta 2015 sta bili ti dve številki zlahka preseženi na poskusnem motorju, preizkušenem v oklepnem raziskovalnem centru.
Februarja istega leta je vojska oddala naročila podjetjem AVL Powertrain Engineering in Achates Power za poskusne enovaljne motorje ACE v okviru dvoletnega programa, v okviru katerega je bil cilj doseči naslednje lastnosti: moč 250 KM, navor 678 Nm, specifična poraba goriva 0, 14 kg / KM / h in odvajanje toplote manj kot 0,45 kW / kW. Vsi kazalniki so bili preseženi, razen prenosa toplote, tukaj ni bilo mogoče pasti pod 0,506 kW / kW.
Poleti 2017 so Cummins in Achates začeli delati po pogodbi ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) za predstavitev štirivaljnega motorja s 1.000 KM. navora 2700 Nm in enake zahteve za specifično porabo goriva in prenos toplote. Prvi motor je bil izdelan julija 2018, začetni preskusi delovanja pa so bili zaključeni do konca istega leta. Avgusta 2019 je bil motor dostavljen Direkciji TARDEC v namestitev in testiranje.
Kombinacija boksarskega motorja in hibridnega električnega pogona bi izboljšala učinkovitost vozil različnih vrst in velikosti, tako vojaških kot civilnih. S tem v mislih je agencija za napredne raziskave in razvoj družbi Achates izdala 2 milijona dolarjev za razvoj naprednega enovaljnega boksarskega motorja za prihodnja hibridna vozila; pri tem projektu podjetje sodeluje z univerzo v Michiganu in Nissanom.
Krmiljenje bata
V skladu s konceptom je ta motor prvič tako tesno povezal električni podsistem in motor z notranjim zgorevanjem, tako da se vsaka od dveh ročičnih gredi vrti in ju lahko poganja lasten motor-generator; med gredi ni mehanske povezave.
Achates je potrdil, da je motor namenjen le zaporednim hibridnim sistemom, saj se vsa njegova energija prenaša električno in genski polnilci napolnijo baterijo, da povečajo doseg. Brez mehanske povezave med jaški se moment ne prenaša, kar vodi do zmanjšanja obremenitev. Posledično jih je mogoče olajšati, zmanjšati skupno težo in velikost, trenje in hrup ter zmanjšati stroške.
Morda je najpomembneje, da ločene ročične gredi omogočajo neodvisno krmiljenje vsakega bata z uporabo močne elektronike. "To je pomemben del našega projekta, pomembno je ugotoviti, kako bi lahko razvoj elektromotorjev in krmilnikov izboljšal učinkovitost motorja z notranjim zgorevanjem." Tiskovni predstavnik Achates je potrdil, da ta konfiguracija omogoča krmiljenje krmiljenja ročične gredi, kar odpira nove možnosti. "Prizadevamo si izboljšati učinkovitost upravljanja bata, ki pri tradicionalni mehanski komunikaciji ni na voljo."
Na tej točki je na voljo malo podatkov o tem, kako je mogoče uporabiti neodvisno krmiljenje bata, vendar je teoretično mogoče povečati hod na primer od kompresijskega, na primer, in s tem pridobiti več energije iz naboja zraka / goriva mešanica. Podobna shema se izvaja v štiritaktnih motorjih Atkinson, nameščenih v hibridnih avtomobilih. Pri Toyoti Prius se to na primer doseže s spremenljivim krmiljenjem ventilov.
Dolgo je bilo očitno, da velikih izboljšav zrelih tehnologij, kot so motorji z notranjim izgorevanjem, ni enostavno doseči, vendar bi bili napredni boksarski motorji tisto, kar bi vojaškim vozilom prineslo resnične prednosti, zlasti v kombinaciji z električnimi pogonskimi sistemi. …
