Îmbunătățirea combinațiilor diesel-electrice
Vehiculele pur electrice precum Reckless au performanțe foarte înalte și pot fi transformate în platforme hibride de serie cu integrarea unui motor cu ardere internă și a unui generator pentru a crește autonomia.
Nevoia de energie electrică din echipamentul electronic de bord din ce în ce mai complex al vehiculelor de luptă moderne este un stimulent suplimentar atunci când alegeți soluții cu o unitate hibridă, în timp ce o serie de caracteristici reciproc contradictorii trebuie dezvoltate în continuare.
Energia necesară pentru a conduce vehiculele terestre și a opera sistemele și unitățile acestora este furnizată în mod tradițional de motoarele diesel. Reducerea consumului de combustibil nu numai că mărește intervalul, dar reduce și cantitatea de logistică determinată de menținerea rezervelor de combustibil și mărește securitatea specialiștilor de servicii logistice în procesul de întreținere a echipamentelor.
În acest sens, forțele armate se străduiesc să găsească o soluție în care randamentul ridicat inerent sistemelor de acționare electrică și căldura specifică ridicată de ardere a motorinei să funcționeze într-o singură „echipă”. Noile soluții hibride și motoarele avansate cu ardere internă au potențialul de a oferi beneficii practice mari, împreună cu conducerea electrică silențioasă, supraveghere silențioasă (senzori alimentați cu baterie în timp ce sunt parcate) și generarea de energie în afara amplasamentului.
Potențialul de transmisie a puterii
Autoritatea Canadiană de Cercetare și Dezvoltare (DRDC), de exemplu, explorează posibilitatea implementării motopropulsoarelor hibride diesel-electrice. Agenția și-a publicat cercetările în 2018, concentrându-se pe platforme tactice ușoare precum HMMWV, vehicule de luptă ultraușoare de tip DAGOR și ATV-uri mici cu un singur și mai multe locuri.
Raportul „Fezabilitatea sistemelor motopropulsoare hibride diesel-electrice pentru vehicule tactice ușoare” remarcă faptul că, în majoritatea modurilor de conducere în care viteza și încărcăturile variază semnificativ (de obicei, conducerea în teren), hibrizii au o eficiență a consumului de combustibil cu 15% până la 20% mai bună în comparație cu mașini tradiționale cu acționare mecanică, în special atunci când se utilizează frânarea regenerativă. În plus, motoarele cu ardere internă, inclusiv motoarele diesel, funcționează cel mai bine atunci când sunt operate la viteze constante atent selectate, ceea ce este tipic pentru schemele hibride secvențiale în care motorul funcționează doar ca generator.
Deoarece puterea motorului poate fi suplimentată de baterii în perioadele scurte de cerere de putere maximă, notează raportul, motorul poate fi reglat pentru a furniza doar puterea medie necesară, cu motoare mai mici consumând mai puțin combustibil în general, celelalte lucruri fiind egale.
Cu o capacitate suficientă a bateriei, hibrizii pot rămâne, de asemenea, în modul de supraveghere silențios pentru perioade lungi de timp, cu motorul oprit și cu senzorii, electronicele și sistemele de comunicații în funcțiune. În plus, sistemul poate alimenta echipamente externe, încărca bateriile 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, acumulatorul poate fi greu și greu de manevrat, ceea ce duce la o capacitate de încărcare utilă redusă, se arată în raportul DRDC. Aceasta poate fi o problemă pentru vehiculele ultraușoare și quad-urile cu un singur loc. În plus, la temperaturi scăzute, performanța bateriilor în sine scade, acestea au adesea probleme cu încărcarea și managementul termic.
Deși hibrizii de serie elimină transmisia manuală, necesitatea unui motor, generator, electronică de putere și baterie le face în cele din urmă dificil și costisitor de cumpărat și întreținut.
Majoritatea electroliților bateriei pot prezenta riscuri atunci când sunt deteriorați, de exemplu, celulele cu litiu-ion sunt cunoscute pentru tendința lor de a se aprinde atunci când sunt deteriorate. Dacă acest lucru prezintă un risc mai mare decât livrarea motorinei poate fi discutabil, spune raportul, dar hibrizii prezintă ambele riscuri.
Selecția combinației
Cele două scheme principale de combinare a motoarelor cu ardere internă cu dispozitive electrice sunt în serie și în paralel. După cum am menționat mai sus, platforma hibridă secvențială este o mașină electrică cu un generator, în timp ce în circuitul paralel există un motor și un motor de tracțiune, care transmit puterea roților printr-o transmisie mecanică conectată la acestea. Aceasta înseamnă că motorul sau motorul de tracțiune pot conduce mașina separat sau pot lucra împreună.
În ambele tipuri de hibrizi, componenta electrică este de obicei un set motor-generator (MGU) care poate converti energia electrică în mișcare și invers. Poate propulsa mașina, încărca bateria, poate porni motorul și, dacă este necesar, poate conserva energie prin frânare regenerativă.
Atât hibrizii de serie, cât și cei paraleli se bazează pe electronica de putere pentru a gestiona încărcarea bateriei și pentru a regla temperatura bateriei. De asemenea, furnizează tensiunea și curentul pe care generatorul trebuie să le furnizeze bateriilor, iar bateriile la rândul lor motoarelor electrice.
Această electronică de putere vine sub formă de invertoare cu semiconductori bazate pe semiconductori din carbură de siliciu, ale căror dezavantaje includ, de regulă, dimensiunile și costurile mari, precum și pierderile de căldură. Electronica de putere are nevoie și de electronică de control, asemănătoare cu cele care rulează un motor cu ardere.
Pana acum poveste vehiculele militare cu propulsie electrică constau în programe de dezvoltare experimentale și ambițioase, care în cele din urmă au fost toate abandonate. În funcționarea reală, încă nu există vehicule militare hibride, în special, în domeniul vehiculelor tactice ușoare, există mai multe probleme tehnologice nerezolvate. Aceste probleme pot fi considerate în mare măsură rezolvate pentru vehiculele civile, deoarece funcționează în condiții mult mai favorabile.
Mașinile electrice s-au dovedit a fi foarte rapide. De exemplu, vehiculul tactic utilitar (UTV) experimental cu patru locuri al lui Nikola Motor, alimentat de baterii, este capabil să accelereze de la 0 la 97 km/h în 4 secunde și are o autonomie de 241 km.
„Totuși, aspectul este una dintre cele mai grele probleme”, spune raportul RDDC. Dimensiunea, greutatea și disiparea căldurii pachetului de baterii sunt destul de mari și trebuie făcut un compromis între capacitatea totală de energie și puterea instantanee pe care o pot furniza pentru o anumită masă și volum. Alocarea spațiului pentru cablurile de înaltă tensiune, fiabilitatea și siguranța acestora sunt, de asemenea, blocaje împreună cu dimensiunea, greutatea, răcirea, fiabilitatea și impermeabilizarea electronicii de putere.
Armata SUA studiază cum să ajusteze motorul pentru a se asigura că vehiculele de luptă se deplasează pe teren accidentat la viteze mai mari.
căldură și praf
Fluctuațiile de temperatură cu care se confruntă vehiculele militare sunt poate cea mai mare provocare, spune raportul, deoarece bateriile cu litiu-ion nu se vor încărca la temperaturi sub zero, iar sistemele de încălzire cresc complexitatea și necesită energie. Bateriile care se supraîncălzesc în timpul descărcării sunt potențial periculoase, trebuie să fie răcite sau trecute într-un mod redus, în timp ce motoarele și generatoarele se pot supraîncălzi, în sfârșit, nu uitați de magneții permanenți, care sunt predispuși la demagnetizare.
În mod similar, la temperaturi peste aproximativ 65°C, dispozitivele precum invertoarele bazate pe tehnologia IGBT scad în eficiență și necesită răcire, deși electronicele de putere mai noi bazate pe semiconductori din carbură de siliciu sau nitrură de galiu, pe lângă faptul că funcționează la tensiune crescută, rezistă la temperaturi mai ridicate și , prin urmare, poate fi răcit de sistemul de răcire a motorului.
În plus, șocul și vibrațiile terenului accidentat, plus pagubele potențiale care pot rezulta din bombardamente și explozii, fac, de asemenea, mult mai dificilă integrarea tehnologiei de acționare electrică în vehiculele militare ușoare, notează raportul.
Raportul concluzionează că RDDC ar trebui să comandă un demonstrator de tehnologie. Este un vehicul tactic ușor, relativ simplu, cu un aspect hibrid în serie, cu motoare electrice fie în butucii roților, fie în osii, un motor diesel reglat pentru puterea maximă corespunzătoare și un set de super sau ultra condensatoare pentru a îmbunătăți accelerația și dealul. alpinism. Super- sau ultra-condensatorii stochează o încărcare foarte mare pentru o perioadă scurtă de timp și o pot elibera foarte repede pentru a produce impulsuri de putere. Mașina fie nu va avea deloc baterie, fie va fi instalată o baterie foarte mică, se va genera electricitate în procesul de frânare regenerativă, ca urmare, modurile de mișcare silențioasă și de observare silențioasă sunt excluse.
Cablurile de alimentare așezate numai pe roți, înlocuind transmisia mecanică și arborii de antrenare, vor reduce semnificativ greutatea mașinii și vor îmbunătăți protecția împotriva exploziei, deoarece împrăștierea resturilor și fragmentelor secundare este eliminată. Fără baterie, volumul intern pentru echipaj și sarcina utilă va crește și va deveni mai sigur, problemele asociate cu întreținerea și managementul termic al bateriilor litiu-ion vor fi eliminate.
În plus, obiectivele vehiculului prototip sunt: consumul mai mic de combustibil al unui motor diesel relativ mic care funcționează la turație constantă, combinat cu recuperarea energiei, creșterea generării de energie pentru funcționarea senzorilor sau exportul de energie, fiabilitate crescută și întreținere îmbunătățită.
Motor AGT 1500 rezervor M1 Abrams are o densitate mare de putere în comparație cu motoarele diesel și nu necesită un sistem special de răcire
Gropile coplesesc
După cum a explicat Bruce Brendle de la Centrul de Cercetare Blindat (TARDEC) la o prezentare de dezvoltare a propulsiei, armata SUA vrea să obțină o centrală electrică 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 zone de război, pe care mașinile actuale nu se pot deplasa. Așa-numitul teren impracticabil reprezintă aproximativ 22% din aceste zone și armata vrea să reducă această cifră la 6%. De asemenea, vor să mărească viteza medie pe cea mai mare parte a acestei zone de la 16 km/h de astăzi la 24 km/h.
În plus, Brendle a subliniat că este planificată creșterea necesarului de energie la bord la cel puțin 250 kW, mai mult decât ceea ce pot produce generatoarele mașinii, deoarece sarcina din noile tehnologii, precum turnuri electrificate și sisteme de protecție, electronice de putere de răcire, se adaugă., exportul de energie și energia dirijată de arme.
Armata SUA a calculat 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 o densitate mai mare de putere și o eficiență mai bună a combustibilului sunt foarte importante pentru noua generație de motoare militare, reducerea transferului de căldură este la fel de importantă. Această căldură generată este energie risipită disipată în spațiul înconjurător, deși ar putea fi folosită pentru propulsie sau generarea de 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 cu gaz AGT 1500 al rezervorului M1 Abrams de 1500 CP. are transfer de căldură scăzut și densitate mare de putere, dar consum de combustibil foarte mare în comparație cu motoarele diesel.
În realitate, motoarele cu turbine cu gaz generează o cantitate mare de căldură, dar cea mai mare parte este evacuată prin conducta de evacuare, datorită intensității mari a fluxului de gaz. Ca urmare, turbinele cu gaz nu au nevoie de sisteme de răcire pe care le necesită motoarele diesel. Puterea specifică mare a motoarelor diesel poate fi obținută numai prin rezolvarea problemei controlului termic. Brendle a subliniat că acest lucru se datorează în principal volumului limitat disponibil pentru echipamentele de răcire, cum ar fi conducte, pompe, ventilatoare și radiatoare. În plus, structurile de protecție precum grilajele antiglonț ocupă, de asemenea, spațiu și limitează fluxul de aer, reducând eficiența ventilatoarelor.
Pistoane spre
După cum a remarcat Brendle, programul ACE pune accent pe motoarele diesel/multicombustibil cu pistoane opuse, în doi timpi, datorită puterii termice reduse inerente. În astfel de motoare, fiecare cilindru are două pistoane care formează o cameră de ardere între ele, drept urmare, chiulasa este exclusă, dar necesită doi arbori cotiți și orificii de admisie și evacuare în pereții cilindrului. Motoarele boxer au apărut în anii 30 ai secolului trecut și au fost îmbunătățite constant de-a lungul deceniilor. Această veche idee nu a fost ocolită de compania Achates Power, care, în cooperare cu Cummins, a reînviat și modernizat acest motor.
Purtătorul de cuvânt al Achates Power a declarat că tehnologia lor boxer a îmbunătățit eficiența termică, rezultând mai puține pierderi de căldură, o ardere îmbunătățită și pierderi reduse prin pompare. Excluderea chiulasei a făcut posibilă reducerea semnificativă a raportului dintre suprafața și volumul din camera de ardere și, prin urmare, transferul și eliberarea de căldură 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 lichidul de răcire și atmosfera înconjurătoare.
Sistemul de ardere Achates folosește injectoare duble de combustibil situate diametral în fiecare cilindru și o formă patentată de piston pentru a optimiza amestecul aer-combustibil, rezultând o ardere scăzută a funinginei și un transfer redus de căldură către pereții camerei de ardere. O încărcătură proaspătă a amestecului este injectată în cilindru, iar gazele de evacuare ies prin orificii, asistate de un compresor care pompează aer prin motor. Achates subliniază că această eliminare o singură dată este benefică pentru economia de combustibil și emisiile.
Armata SUA dorește ca familia de trenuri motopropulsoare modulare scalabile ACE să includă motoare cu același alezaj și cursă și un număr diferit de cilindri: 600-750 CP. (3 cilindri); 300-1000 CP (patru); si 4-1200 CP (1500). Fiecare centrală electrică va ocupa un volum - o înălțime de 6 m și o lățime de 0,53 m și, respectiv, o lungime de 1,1 m, 1,04 m și 1,25 m.
Motorul Boxer în doi timpi de la Achates Power și Cummins ar trebui să devină baza familiei ACE a armatei SUA
Obiective tehnologice
Un studiu intern al armatei din 2010 a confirmat beneficiile motoarelor boxer, ducând la lansarea proiectului Next-Geneiation Combat Engine (NGCE), în care întreprinderile industriale și-au prezentat evoluțiile în acest domeniu. Sarcina a fost de a atinge o putere de 71 CP. pe cilindru și o putere totală de 225 CP. Până în 2015, ambele aceste cifre au fost depășite destul de ușor pe un motor experimental care a fost testat la Centrul blindat de cercetare.
În luna februarie a aceluiași an, Armata a atribuit contracte AVL Powertrain Engineering și Achates Power pentru motoarele experimentale ACE monocilindru, în cadrul unui program de doi ani, care urmărea atingerea următoarelor caracteristici: putere 250 CP, cuplu 678 Nm, consum specific de combustibil 0,14, 0,45 kg/CP/h și disiparea căldurii mai mică de 0,506 kW/kW. Au fost depășiți toți indicatorii, cu excepția transferului de căldură, aici nu s-a putut scădea sub XNUMX kW/kW.
În vara lui 2017, Cummins și Achates au început să lucreze în cadrul contractului ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) pentru a demonstra un motor cu patru cilindri de 1000 CP. cuplu 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 la TARDEC pentru instalare și testare.
Combinația dintre un motor boxer și o unitate electrică hibridă ar îmbunătăți eficiența vehiculelor de diferite tipuri și dimensiuni, atât militare, cât și civile. Recunoscând acest lucru, Biroul de Cercetare și Dezvoltare Avansată a acordat două milioane de dolari companiei Achates pentru a dezvolta un motor boxer avansat cu un singur cilindru pentru vehicule hibride avansate; în acest proiect, compania colaborează cu Universitatea din Michigan și Nissan.
Controlul pistonului
În conformitate cu conceptul, pentru prima dată în acest motor, subsistemul electric și motorul cu ardere internă sunt atât de strâns integrate, fiecare dintre cei doi arbori cotit se rotește și poate fi antrenat de propriul grup motor-generator; nu există nicio legătură mecanică între arbori.
Achates a confirmat că motorul este proiectat doar pentru sisteme hibride secvențiale, deoarece toată puterea pe care o generează este transmisă electric, iar grupurile electrogene încarcă acumulatorul pentru o autonomie extinsă. Fără o legătură mecanică între arbori, momentul nu este transmis, ceea ce duce la o scădere a sarcinilor. În consecință, ele pot fi mai ușoare, pot reduce greutatea și dimensiunea totală, pot reduce frecarea și zgomotul și pot reduce costurile.
Poate cel mai important, arborii cotiți 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 crește 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. „Căutăm să îmbunătățim eficiența controlului pistonului, ceea ce nu este posibil cu legătura mecanică tradițională”.
În prezent sunt disponibile puține informații despre modul în care poate fi utilizat controlul independent al pistonului, dar teoretic este posibil să faceți cursa de putere mai mare decât cursa de compresie, de exemplu, și astfel să extrageți mai multă energie din încărcarea amestecului aer-combustibil. 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.
De mult timp a fost clar că îmbunătățirile mari ale tehnologiilor consacrate, cum ar fi motoarele cu ardere internă, nu sunt ușor de realizat, dar motoarele boxer avansate ar putea fi ceva care ar oferi avantaje reale vehiculelor militare, mai ales atunci când sunt combinate cu propulsia electrică.
informații