Energia necesară pentru propulsarea vehiculelor terestre și pentru operarea sistemelor și ansamblurilor acestora este furnizată în mod tradițional de motoarele diesel. Reducerea consumului de combustibil nu numai că mărește raza de acțiune, ci și reduce cantitatea de logistică, care este determinată de menținerea rezervelor de combustibil, și crește protecția personalului de service din spate în procesul de întreținere a echipamentelor.
În acest sens, forțele armate se străduiesc să găsească o soluție în care eficiența ridicată și căldura specifică ridicată de combustie a motorinei inerente sistemelor cu acționare electrică ar funcționa într-o singură „echipă”. Noile soluții hibride și motoarele cu ardere avansate au potențialul de a oferi avantaje practice mari alături de acționarea silențioasă unică electrică, monitorizarea silențioasă (senzori acționați pe baterie în timp ce staționează) și generarea de energie pentru consumatorii externi.
Potențialul trenului electric
Research Canada (DRDC), de exemplu, investighează fezabilitatea motorizărilor hibride diesel-electrice. FDA și-a publicat cercetarea în 2018, concentrându-se pe platforme tactice ușoare, cum ar fi HMMWV, vehicule de luptă ultralegere din clasa DAGOR și ATV-uri mici cu un singur loc și cu mai multe locuri.
Raportul Fezabilitatea motorizărilor diesel-electrice hibride pentru vehiculele ușoare tactice menționează că în majoritatea modurilor de conducere în care viteza și încărcăturile variază semnificativ (de obicei off-road), hibrizii au un consum de combustibil cu 15% -20% mai bun din punct de vedere al consumului de combustibil. mașini tradiționale acționate mecanic, în special atunci când se utilizează frânarea regenerativă. În plus, motoarele cu ardere internă, inclusiv motoarele diesel, funcționează cel mai bine atunci când sunt acționate la rpm constante selectate cu atenție, ceea ce este tipic sistemelor hibride secvențiale în care motorul funcționează doar ca generator.
După cum se menționează în raport, deoarece puterea motorului poate fi suplimentată de baterii în perioade scurte de vârf de consum, motorul poate fi reglat pentru a furniza doar puterea medie necesară, centralele electrice mai mici folosind în general mai puțin combustibil, toate celelalte lucruri fiind egale.
Cu o capacitate suficientă a bateriei, hibrizii pot rămâne, de asemenea, în modul de monitorizare silențios pentru o lungă perioadă de timp, cu motorul oprit și funcționarea senzorilor, a electronicii și a sistemelor de comunicații. În plus, sistemul poate alimenta echipamente externe, încărca baterii și chiar alimenta o tabără militară, reducând nevoia de generatoare remorcate.
În timp ce unitățile hibride oferă performanțe superioare în ceea ce privește viteza, accelerația și gradabilitatea, pachetul de baterii poate fi greu și greu, rezultând o sarcină utilă redusă, a spus DRDC. Aceasta poate fi o problemă pentru vehiculele ultra-ușoare și ATV-urile monoplace. În plus, la temperaturi scăzute, caracteristicile bateriilor în sine sunt reduse, au deseori probleme cu încărcarea și controlul temperaturii.
Deși hibrizii secvențiali elimină transmisia mecanică, nevoia de motor, generator, electronică de putere și baterie le face în cele din urmă dificile și costisitoare de cumpărat și de întreținut.
Majoritatea electroliților bateriei pot prezenta, de asemenea, riscuri atunci când sunt deteriorate, de exemplu, se știe că celulele litiu-ion se aprind atunci când sunt deteriorate. Dacă acest lucru prezintă un risc mai mare decât furnizarea de combustibil diesel este probabil un punct discutabil, se arată în raport, dar hibrizii prezintă ambele riscuri.
Selecție combinată
Cele două scheme principale pentru combinarea motoarelor cu ardere internă cu dispozitivele electrice sunt seriale și paralele. După cum s-a menționat mai sus, platforma hibridă în serie este o mașină electrică cu un generator, în timp ce în paralel există un motor și un motor de tracțiune care, printr-o transmisie mecanică conectată la acestea, transmit puterea roților. Aceasta înseamnă că motorul sau motorul de tracțiune pot conduce mașina individual sau pot lucra împreună.
În ambele tipuri de hibrizi, componenta electrică este de obicei un set de motoare-generator (MGU), care poate converti energia electrică în mișcare și invers. Poate conduce o mașină, încărca o baterie, porni un motor și, dacă este necesar, poate economisi energie prin frânare regenerativă.
Atât hibrizii de serie, cât și cei paraleli se bazează pe electronica de putere pentru a gestiona energia bateriei și a regla temperatura bateriei. De asemenea, furnizează tensiunea și amperajul pe care generatorul trebuie să le furnizeze bateriilor, iar bateriile la rândul lor la motoarele electrice.
Această electronică de putere vine sub formă de invertoare semiconductoare bazate pe semiconductori din carbură de siliciu, ale căror dezavantaje includ, de regulă, dimensiuni și costuri mari, precum și pierderi de căldură. Electronica de putere necesită, de asemenea, electronice de control similare cu cele care alimentează un motor cu ardere internă.
Până acum, istoria vehiculelor militare alimentate electric a constat în programe experimentale și ambițioase de dezvoltare care au fost închise în cele din urmă. În funcționare reală, încă nu există vehicule militare hibride, în special în domeniul vehiculelor tactice ușoare, rămân câteva probleme tehnologice nerezolvate. Aceste probleme pot fi considerate rezolvate în mare măsură pentru vehiculele civile, deoarece acestea funcționează în condiții mult mai favorabile.
Mașinile electrice s-au dovedit a fi foarte rapide. De exemplu, vehiculul experimental cu patru locuri Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) de la Nikola Motor poate accelera de la 0 la 97 km / h în 4 secunde și are o autonomie de 241 km.
„Aspectul, cu toate acestea, este una dintre acele mari provocări”, spune raportul DRDC. Dimensiunea, greutatea și disiparea căldurii acumulatorilor sunt destul de mari și trebuie să se facă un compromis între capacitatea totală de energie și puterea instantanee pe care o pot furniza pentru o anumită masă și volum. Alocarea volumului pentru cablurile de înaltă tensiune, fiabilitatea și siguranța acestora sunt, de asemenea, blocaje, precum și dimensiunea, greutatea, răcirea, fiabilitatea și impermeabilizarea electronice de putere.
Căldură și praf
Raportul spune că fluctuațiile de temperatură cu care se confruntă vehiculele militare sunt probabil cea mai mare problemă, deoarece bateriile litiu-ion nu se vor încărca la temperaturi sub zero, iar sistemele de încălzire adaugă complexitate și necesită energie. Bateriile care se supraîncălzesc în timpul descărcării sunt potențial periculoase, trebuie răcite sau reduse la un mod redus, în timp ce motoarele și generatoarele pot supraîncălzi, în cele din urmă, nu uitați de magneții permanenți, care sunt predispuși la demagnetizare.
La fel, la temperaturi peste aproximativ 65 ° C, eficiența dispozitivelor precum invertoarele IGBT scade și, prin urmare, necesită răcire, deși electronice de putere mai noi bazate pe semiconductori din carbură de siliciu sau nitrură de galiu, pe lângă funcționarea la tensiune crescută, rezistă la temperaturi mai ridicate și, prin urmare, poate fi răcit din sistemul de răcire a motorului.
În plus, șocul și vibrațiile din teren accidentat, plus potențialele daune care ar putea fi cauzate de bombardamente și explozii, îngreunează, de asemenea, integrarea tehnologiei de acționare electrică în vehiculele militare ușoare, notează raportul.
Raportul concluzionează că DRDC ar trebui să comande un demonstrator de tehnologie. Este un vehicul tactic hibrid secvențial relativ ușor, ușor, cu motoare electrice instalate fie în butucii roții, fie în axe, motorul diesel este reglat la puterea de vârf adecvată și este instalat un set de super- sau ultracondensatori pentru a îmbunătăți accelerația și gradabilitatea.. Supercondensatoarele sau ultracondensatoarele stochează o încărcare foarte mare pentru o perioadă scurtă de timp și o pot elibera foarte repede pentru a genera impulsuri de putere. Mașina fie nu va fi deloc, fie va fi instalată o baterie foarte mică, electricitatea va fi generată în timpul procesului de frânare regenerativă, ca urmare, sunt excluse modurile de mișcare silențioasă și de observare silențioasă.
Cablurile de alimentare care rulează numai spre roți, înlocuind transmisia mecanică și arborii de antrenare, vor reduce semnificativ greutatea mașinii și vor îmbunătăți protecția împotriva exploziei, deoarece se elimină împrăștierea resturilor secundare și a fragmentelor. Fără baterie, volumul intern pentru echipaj și sarcina utilă vor crește și vor deveni mai sigure, iar problemele asociate cu întreținerea și gestionarea termică a bateriilor litiu-ion vor fi eliminate.
În plus, la crearea unui prototip sunt stabilite următoarele obiective: consum redus de combustibil al unui motor diesel relativ mic care funcționează la rpm constant, combinat cu recuperarea energiei, creșterea generării de energie pentru senzorii de funcționare sau exportul de energie, fiabilitate sporită și service îmbunătățit.
Umflăturile nu le pasă
După cum a explicat Bruce Brandl de la Armored Research Center (TARDEC) la o prezentare privind dezvoltarea motorului, armata SUA dorește un sistem de propulsie care să permită vehiculelor sale de luptă să se deplaseze pe terenuri mai dificile la viteze mai mari, ceea ce va reduce semnificativ procentul de teren în zonele de război.pe care mașinile actuale nu se pot deplasa. Așa-numitul teren impracticabil reprezintă aproximativ 22% din aceste zone, iar armata vrea să reducă această cifră la 6%. De asemenea, vor să mărească viteza medie în cea mai mare parte a zonei de la 16 km / h la 24 km / h.
În plus, Brandl a subliniat că cererea de energie la bord este planificată să fie mărită la cel puțin 250 kW, adică mai mare decât ceea ce pot furniza generatoarele mașinii, deoarece sarcinile sunt adăugate din noile tehnologii, de exemplu, turnuri electrificate și sisteme de protecție, răcirea electronice de putere., export de energie și arme cu energie direcționată.
Armata SUA estimează că satisfacerea acestor nevoi cu tehnologia turbodiesel actuală va crește volumul motorului cu 56% și greutatea vehiculului cu aproximativ 1400 kg. Prin urmare, la dezvoltarea centralei sale avansate Advanced Combat Engine (ACE), sarcina principală a fost stabilită - dublarea densității totale a puterii de la 3 CP / cu. ft până la 6 CP / cu. picior.
În timp ce densitatea mai mare a puterii și eficiența mai bună a combustibilului sunt foarte importante pentru următoarea generație de motoare militare, este la fel de important să reducem puterea de căldură. Această căldură generată este energie irosită disipată în spațiul înconjurător, deși ar putea fi utilizată pentru a propulsa sau genera energie electrică. Dar este departe de a fi întotdeauna posibil să se realizeze un echilibru perfect al tuturor acestor trei parametri, de exemplu, motorul cu turbină pe gaz AGT 1500 al rezervorului M1 Abrams cu o capacitate de 1500 CP. are un transfer de căldură redus și densitate mare de putere, dar un consum foarte mare de combustibil în comparație cu motoarele diesel.
De fapt, motoarele cu turbină cu gaz generează o cantitate mare de căldură, dar cea mai mare parte din aceasta este îndepărtată prin conducta de evacuare, datorită ratei ridicate a debitului de gaz. Ca urmare, turbinele cu gaz nu au nevoie de sistemele de răcire de care au nevoie motoarele diesel. O putere specifică mare a motoarelor diesel poate fi atinsă numai prin rezolvarea problemei controlului termic. Brandl a subliniat că acest lucru se datorează în principal volumului limitat disponibil pentru echipamentele de răcire, cum ar fi conductele, pompele, ventilatoarele și radiatoarele. În plus, structurile de protecție, cum ar fi grilele antiglonț, preiau și volumul și limitează fluxul de aer, reducând eficiența ventilatoarelor.
Pistoane spre
După cum a remarcat Brandl, programul ACE se concentrează pe motoarele diesel / multi-combustibil în doi timpi cu pistoane opuse datorită disipării lor inerente de căldură scăzută. În astfel de motoare, în fiecare cilindru sunt așezate două pistoane, care formează o cameră de ardere între ele, ca urmare, chiulasa este exclusă, dar acest lucru necesită doi arbori cotiți și orificii de admisie și evacuare în pereții cilindrului. Motoarele Boxer datează din anii 1930 și au fost îmbunătățite continuu de-a lungul deceniilor. Această idee veche nu a fost cruțată de compania Achates Power, care, în cooperare cu Cummins, a reînviat și modernizat acest motor.
Un purtător de cuvânt al Achates Power a declarat că tehnologia boxerului a îmbunătățit eficiența termică, ceea ce se traduce prin pierderi de căldură mai mici, combustie îmbunătățită și pierderi de pompare reduse. Eliminarea chiulasei a redus semnificativ raportul suprafață-volum în camera de ardere și, prin urmare, transferul și eliberarea căldurii în motor. În schimb, într-un motor tradițional în patru timpi, chiulasa conține multe dintre cele mai fierbinți componente și este principala sursă de transfer de căldură către agentul de răcire și atmosfera din jur.
Sistemul de ardere Achates folosește injectoare duble de combustibil poziționate diametral în fiecare cilindru și o formă patentată a pistonului pentru a optimiza amestecul de aer / combustibil, rezultând o combustie scăzută de funingine și un transfer redus de căldură către pereții camerei de ardere. O nouă încărcare a amestecului este injectată în cilindru, iar gazele de eșapament ies prin orificii, ajutate de un supraîncărcător care pompează aer prin motor. Achates atrage atenția asupra faptului că această epurare simultană are un efect benefic asupra economiei de combustibil și a emisiilor.
Armata SUA dorește ca familia ACE de motoare modulare scalabile să includă motoare cu același alezaj și cursă și cu un număr diferit de cilindri: 600-750 CP. (3 cilindri); 300-1000 CP (4); și 1200-1500 CP. (6). Fiecare centrală electrică va ocupa un volum - o înălțime de 0,53 m și o lățime de 1, 1 m și, în consecință, o lungime de 1,04 m, 1,25 m și 1,6 m.
Obiective tehnologice
Un studiu intern al armatei efectuat în 2010 a confirmat beneficiile motoarelor boxer, rezultând în proiectul de nouă generație de luptă (NGCE), în care întreprinderile industriale și-au prezentat evoluțiile în acest domeniu. Sarcina a fost de a ajunge la 71 CP. pe cilindru și o putere totală de 225 CP. Până în 2015, ambele numere au fost ușor depășite pe un motor experimental testat la Centrul de Cercetare Blindată.
În februarie a aceluiași an, armata a atribuit contracte AVL Powertrain Engineering și Achates Power pentru motoare experimentale ACE cu un singur cilindru în cadrul unui program de doi ani, în cadrul căruia scopul a fost de a atinge următoarele caracteristici: putere 250 CP, cuplu 678 Nm, consum specific de combustibil 0, 14 kg / hp / h și disipare de căldură mai mică de 0,45 kW / kW. Toți indicatorii au fost depășiți, cu excepția transferului de căldură, aici nu a fost posibil să scadă sub 0,506 kW / kW.
În vara anului 2017, Cummins și Achates au început să lucreze în cadrul unui contract ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) pentru a demonstra un motor cu patru cilindri de 1.000 CP. cuplul de 2700 Nm și aceleași cerințe pentru consumul specific de combustibil și transferul de căldură. Primul motor a fost fabricat în iulie 2018, iar testele operaționale inițiale au fost finalizate până la sfârșitul aceluiași an. În august 2019, motorul a fost livrat Direcției TARDEC pentru instalare și testare.
Combinația dintre un motor boxer și un motor electric hibrid ar îmbunătăți eficiența vehiculelor de diferite tipuri și dimensiuni, atât militare, cât și civile. Având în vedere acest lucru, Advanced Research and Development Authority a acordat Achates 2 milioane de dolari pentru a dezvolta un motor boxer monocilindru avansat pentru viitoarele vehicule hibride; în acest proiect, compania colaborează cu Universitatea din Michigan și Nissan.
Controlul pistonului
În conformitate cu conceptul, acest motor, pentru prima dată, a integrat atât de strâns subsistemul electric și motorul cu ardere internă, fiecare dintre cele două arborele cotit se rotește și poate fi acționat de propriul său motor-generator; nu există o legătură mecanică între arbori.
Achates a confirmat că motorul este proiectat doar pentru sisteme hibride secvențiale, întrucât toată puterea pe care o generează este transmisă electric și grupurile electrice încarcă acumulatorul pentru a extinde gama. Fără o conexiune mecanică între arbori, momentul nu este transmis, ceea ce duce la o scădere a sarcinilor. Drept urmare, pot fi ușoare, pot reduce greutatea și dimensiunea totală, fricțiunea și zgomotul și pot reduce costurile.
Poate cel mai important, arborii coti decuplați permit controlul independent al fiecărui piston prin utilizarea electronicii de putere. „Aceasta este o parte importantă a proiectului nostru, este important să determinăm modul în care dezvoltarea motoarelor electrice și a comenzilor ar putea îmbunătăți eficiența motorului cu ardere internă.” Un purtător de cuvânt al Achates a confirmat că această configurație permite controlul sincronizării arborelui cotit, ceea ce deschide noi posibilități. „Ne străduim să îmbunătățim eficiența controlului pistonului, care nu este disponibil cu comunicațiile mecanice tradiționale.”
În acest moment, există puține informații disponibile cu privire la modul în care controlul independent al pistonului poate fi utilizat, dar în teorie este posibil să se facă cursa mai mare decât cursa de compresie, de exemplu, și astfel să se extragă mai multă energie din încărcarea aerului / combustibilului amestec. O schemă similară este implementată în motoarele Atkinson în patru timpi instalate în mașinile hibride. La Toyota Prius, de exemplu, acest lucru se realizează prin sincronizarea variabilă a supapelor.
Pentru o lungă perioadă de timp, a fost evident că îmbunătățirile mari ale tehnologiilor mature, cum ar fi motoarele cu ardere internă, nu sunt ușor de realizat, dar motoarele boxer avansate ar putea fi ceea ce ar oferi avantaje reale vehiculelor militare, mai ales atunci când sunt combinate cu sisteme de propulsie electrică. …
