A földi járművek meghajtásához, valamint rendszereik és szerelvényeik működtetéséhez szükséges energiát hagyományosan dízelmotorok biztosítják. Az üzemanyag -fogyasztás csökkentése nemcsak a hatótávolságot növeli, hanem csökkenti a logisztika mennyiségét is, amelyet az üzemanyag -tartalékok fenntartása határoz meg, és növeli a hátsó szervizszemélyzet biztonságát a berendezések karbantartása során.
E tekintetben a fegyveres erők arra törekszenek, hogy olyan megoldást találjanak, amelyben az elektromos hajtású rendszerekben rejlő dízel üzemanyag nagy hatékonysága és magas fajlagos égési hője egy "csapatban" működne. Az új hibrid megoldások és a fejlett égésű motorok nagy gyakorlati előnyökkel járhatnak a csendes, egy elektromos hajtással, a csendes felügyelettel (akkumulátoros szenzorok álló helyzetben) és a külső fogyasztók energiatermelésével.
Erőátviteli potenciál
A Research Canada (DRDC) például a hibrid dízel-elektromos hajtásláncok megvalósíthatóságát vizsgálja. Az FDA 2018-ban tette közzé kutatásait, amelyek olyan könnyű taktikai platformokra összpontosítottak, mint a HMMWV, a DAGOR osztályú ultrakönnyű harci járművek, valamint a kis egy- és többüléses ATV-k.
A hibrid dízel-elektromos hajtóművek megvalósíthatósága a könnyű taktikai járművekhez című jelentés megjegyzi, hogy a legtöbb vezetési módban, ahol a sebesség és a terhelés jelentősen eltér (jellemzően terepen), a hibridek üzemanyag-fogyasztása 15% -20% -kal jobb. hagyományos mechanikus meghajtású gépek, különösen ha regeneratív fékezést alkalmaznak. Ezenkívül a belsőégésű motorok, beleértve a dízelmotorokat is, akkor teljesítenek a legjobban, ha gondosan kiválasztott állandó fordulatszámmal működnek, ami jellemző a szekvenciális hibrid rendszerekre, amelyekben a motor csak generátorként működik.
Mint a jelentés megjegyzi, mivel a motorteljesítmény rövid ideig tartó csúcsfogyasztás mellett akkumulátorokkal is kiegészíthető, a motort úgy lehet beállítani, hogy csak a szükséges átlagos teljesítményt nyújtsa, a kisebb erőművek általában kevesebb üzemanyagot fogyasztanak, és minden más egyenlő.
Elegendő akkumulátorkapacitás mellett a hibridek sokáig néma felügyeleti üzemmódban is maradhatnak, ha a motor le van állítva, és működnek az érzékelők, az elektronika és a kommunikációs rendszerek. Ezenkívül a rendszer külső berendezések táplálására, akkumulátorok töltésére, sőt katonai tábor áramellátására is képes, csökkentve a vontatott generátorok szükségességét.
Míg a hibrid hajtások kiemelkedő teljesítményt nyújtanak a sebesség, a gyorsulás és az osztályozhatóság szempontjából, az akkumulátor nehéz és nehézkes lehet, ami a hasznos terhelést csökkenti, mondta a DRDC. Ez problémát jelenthet az ultrakönnyű járművek és az együléses ATV-k számára. Ezenkívül alacsony hőmérsékleten az akkumulátorok jellemzői csökkennek, gyakran problémái vannak a töltéssel és a hőmérséklet -szabályozással.
Bár a szekvenciális hibridek kiküszöbölik a mechanikus sebességváltót, a motor, generátor, teljesítményelektronika és akkumulátor szükséglete elkerülhetetlenül megnehezíti és költségessé teszi a vásárlást és a karbantartást.
A legtöbb akkumulátor-elektrolit veszélyt is jelenthet sérülés esetén, például a lítium-ion cellákról ismert, hogy meggyulladnak sérüléskor. A jelentés rámutat arra, hogy ez nagyobb kockázatot jelent -e, mint a dízelüzemanyag -ellátás, a jelentés rámutat, de a hibridek mindkét kockázatot hordozzák.
Kombinációs kiválasztás
A belső égésű motorok elektromos berendezésekkel való kombinálásának két fő sémája soros és párhuzamos. Amint fentebb említettük, a soros hibrid platform egy elektromos gép, generátorral, míg ezzel párhuzamosan van egy motor és egy vontatómotor, amelyek a hozzájuk kapcsolódó mechanikus sebességváltón keresztül továbbítják az erőt a kerekeknek. Ez azt jelenti, hogy a motor vagy a vontatómotor egyenként hajthatja a gépet, vagy együtt dolgozhatnak.
Mindkét hibrid típusban az elektromos alkatrész tipikusan motorgenerátor (MGU), amely képes az elektromos energiát mozgássá alakítani és fordítva. Autót vezethet, akkumulátort tölthet, motort indíthat, és ha szükséges, energiát takaríthat meg regeneratív fékezéssel.
Mind a sorozatos, mind a párhuzamos hibridek teljesítményelektronikára támaszkodnak az akkumulátor teljesítményének szabályozására és az akkumulátor hőmérsékletének szabályozására. Ezenkívül biztosítják azt a feszültséget és áramerősséget, amelyet a generátornak kell biztosítania az akkumulátoroknak, az akkumulátorokat pedig az elektromos motoroknak.
Ez a teljesítményelektronika szilícium -karbid félvezetőkön alapuló félvezető inverterek formájában érkezik, amelyek hátrányai általában a nagy méret és költség, valamint a hőveszteség. A teljesítményelektronika szintén olyan vezérlőelektronikát igényel, mint a belsőégésű motor.
Az elektromos hajtású katonai járművek története eddig kísérleti és ambiciózus fejlesztési programokból állt, amelyeket végül lezártak. Valódi működésben még mindig nincsenek hibrid katonai járművek, különösen a könnyű taktikai járművek területén számos megoldatlan technológiai probléma maradt. Ezek a problémák nagyrészt megoldottnak tekinthetők a polgári járművek esetében, mivel sokkal kedvezőbb körülmények között működnek.
Az elektromos autók nagyon gyorsnak bizonyultak. Például a Nikola Motor kísérleti, akkumulátorral működő, Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) négyüléses autója 4 másodperc alatt gyorsulhat 0-ról 97 km / órára, hatótávolsága pedig 241 km.
"Az elrendezés azonban az egyik nagy kihívás" - áll a DRDC jelentésében. Az akkumulátorok mérete, súlya és hőelvezetése meglehetősen nagy, és kompromisszumot kell kötni a teljes energiakapacitás és az adott tömeg és térfogat esetén szállítható pillanatnyi teljesítmény között. A nagyfeszültségű kábelek hangerejének felosztása, megbízhatósága és biztonsága szintén szűk keresztmetszetek, valamint a teljesítményelektronika mérete, súlya, hűtése, megbízhatósága és vízszigetelése.
Hőség és por
A jelentés szerint a katonai járművek által tapasztalt hőingadozások jelentik talán a legnagyobb problémát, mivel a lítium-ion akkumulátorok nem töltődnek nulla alatti hőmérsékleten, a fűtési rendszerek pedig összetettebbé és energiaigényesebbé teszik. Az akkumulátorok, amelyek túlmelegednek a kisülés során, potenciálisan veszélyesek, le kell őket hűteni vagy csökkentett üzemmódra kell csökkenteni, míg a motorok és a generátorok is túlmelegedhetnek, végül ne felejtsük el a mágnesezésre hajlamos állandó mágneseket.
Hasonlóképpen, körülbelül 65 ° C feletti hőmérsékleten az olyan eszközök, mint az IGBT inverterek, hatékonysága csökken, és ezért hűtésre van szükségük, bár a szilícium -karbid félvezetőkön vagy gallium -nitriden alapuló újabb teljesítményelektronika a megnövekedett feszültségen kívül ellenáll a magasabb hőmérsékletnek és ezért hűthető a motor hűtőrendszeréből.
Emellett a durva terep okozta sokk és rezgés, valamint a lövedékek és robbanások által okozott esetleges károk is megnehezítik az elektromos hajtástechnika könnyű katonai járművekbe történő integrálását - jegyzi meg a jelentés.
A jelentés arra a következtetésre jut, hogy a DRDC -nek technológiai demonstrátort kell rendelnie. Ez egy viszonylag egyszerű, könnyű, szekvenciális hibrid taktikai jármű, amelynek elektromos motorjai a kerékagyakba vagy a tengelyekbe vannak szerelve, a dízelmotor a megfelelő csúcsteljesítményre van hangolva, és a szuper- vagy ultrakondenzátorok sorozata fel van szerelve a gyorsulás és az osztályozhatóság javítása érdekében. A szuperkondenzátorok vagy ultrakondenzátorok nagyon nagy töltést tárolnak rövid ideig, és nagyon gyorsan fel tudják szabadítani, hogy energiaimpulzusokat generáljanak. Az autó vagy egyáltalán nem lesz, vagy nagyon kicsi akkumulátort helyeznek be, a regeneratív fékezési folyamat során áram keletkezik, ennek következtében a csendes mozgás és a csendes megfigyelés módjai kizártak.
Az egyedül a kerekekre futó tápkábelek, amelyek helyettesítik a mechanikus sebességváltót és a hajtótengelyeket, jelentősen csökkentik a gép súlyát és javítják a robbanásvédelmet, mivel a másodlagos törmelékek és töredékek szóródása megszűnik. Akkumulátor nélkül a személyzet belső térfogata és a hasznos teher növekszik, és biztonságosabbá válik, és megszűnnek a lítium-ion akkumulátorok karbantartásával és hőkezelésével kapcsolatos problémák.
Ezenkívül a prototípus megalkotásakor a következő célokat tűzték ki: egy viszonylag kicsi, állandó fordulatszámon üzemelő dízelmotor alacsonyabb üzemanyag -fogyasztása, kombinálva az energia -visszanyeréssel, a megnövelt energiatermelés az érzékelők vagy az energiaexport számára, a nagyobb megbízhatóság és a jobb szolgáltatás.
A dudorokat nem érdekli
Ahogy Bruce Brandl, a Páncélozott Kutatóközpont (TARDEC) munkatársa kifejtette a motorfejlesztésről szóló előadáson, az amerikai hadsereg olyan meghajtórendszert szeretne, amely lehetővé teszi harci járművei számára, hogy nagyobb sebességgel haladjanak a nehezebb terepen, ami jelentősen csökkenti a terep százalékos arányát. háborús övezetekben, amelyeken a jelenlegi autók nem tudnak mozogni. Az úgynevezett járhatatlan terep ezen zónák mintegy 22% -át teszi ki, és a hadsereg ezt a számot 6% -ra szeretné csökkenteni. Emellett az átlagsebességet a terület nagy részén a mai 16 km / h -ról 24 km / h -ra szeretnék növelni.
Ezenkívül Brandl hangsúlyozta, hogy a fedélzeti energiaigényt a tervek szerint legalább 250 kW -ra növelik, vagyis magasabbra, mint amennyit a gép generátorai képesek biztosítani, mivel az új technológiák, például az elektromos tornyok és a védelmi rendszerek terhelését növelik, teljesítményelektronika hűtése., energiaexport és irányított energiafegyverek.
Az amerikai hadsereg becslése szerint ezeknek az igényeknek a kielégítése a jelenlegi turbódízel -technológiával 56% -kal növeli a motor térfogatát és körülbelül 1400 kg -mal a jármű súlyát. Ezért az Advanced Combat Engine (ACE) erőmű kifejlesztésekor a fő feladatot tűzték ki - meg kell duplázni a teljes teljesítménysűrűséget 3 LE / cu -ról. ft -tól 6 LE / cu. láb.
Míg a nagyobb teljesítménysűrűség és a jobb üzemanyag -hatékonyság nagyon fontosak a katonai hajtóművek következő generációja számára, ugyanilyen fontos a hőteljesítmény csökkentése is. Ez a keletkező hő elpazarolt energia, amely eloszlik a környező térben, bár fel lehet használni villamos energia meghajtására vagy előállítására. De korántsem mindig lehetséges mindhárom paraméter tökéletes egyensúlyát elérni, például az M1 Abrams 1500 LE teljesítményű tartályának AGT 1500 gázturbina motorját. alacsony hőátadással és nagy teljesítménysűrűséggel rendelkezik, de nagyon magas az üzemanyag -fogyasztás a dízelmotorokhoz képest.
Valójában a gázturbinás motorok nagy mennyiségű hőt termelnek, de nagy részét a kipufogócsövön keresztül távolítják el a nagy gázáramlás miatt. Ennek eredményeként a gázturbináknak nincs szükségük a dízelmotorokhoz szükséges hűtőrendszerekre. A dízelmotorok nagy fajlagos teljesítménye csak a hőszabályozás problémájának megoldásával érhető el. Brandl hangsúlyozta, hogy ez elsősorban a hűtőberendezések, például csövek, szivattyúk, ventilátorok és radiátorok számára rendelkezésre álló korlátozott mennyiségnek köszönhető. Ezenkívül a védőszerkezetek, mint például a golyóálló rácsok is felveszik a térfogatot és korlátozzák a légáramlást, csökkentve a ventilátorok hatékonyságát.
Dugattyúk felé
Mint Brandl megjegyezte, az ACE program középpontjában a kétütemű dízel / több üzemanyagú motorok állnak, amelyek ellentétes dugattyúkkal rendelkeznek a bennük rejlő alacsony hőelvezetés miatt. Az ilyen motorokban minden hengerbe két dugattyút helyeznek, amelyek égéskamrát képeznek egymás között, ennek eredményeként a hengerfej kizárt, de ehhez két főtengelyre, valamint a hengerfalak szívó- és kipufogó nyílására van szükség. A boxermotorok az 1930 -as évekből származnak, és az évtizedek során folyamatosan fejlesztették őket. Ezt a régi ötletet nem kímélte az Achates Power cég sem, amely a Cummins -szal együttműködve újjáélesztette és korszerűsítette ezt a motort.
Az Achates Power szóvivője elmondta, hogy bokszoló technológiájuk javította a termikus hatékonyságot, ami alacsonyabb hőveszteséget, jobb égést és csökkentett szivattyúzási veszteséget jelent. A hengerfej kiküszöbölése jelentősen csökkentette az égéstérben a felület / térfogat arányt, és ezáltal a motor hőátadását és felszabadulását. Ezzel szemben egy hagyományos négyütemű motorban a hengerfej a legmelegebb alkatrészeket tartalmazza, és ez a fő forrása a hűtőfolyadéknak és a környező légkörnek történő hőátadásnak.
Az Achates tüzelőberendezés két hengeres befecskendezőt használ, amelyek mindegyik hengerben keresztmetszetben vannak elhelyezve, és szabadalmaztatott dugattyú alakú, hogy optimalizálja a levegő / üzemanyag keveréket, ami alacsony koromégést és csökkentett hőátadást eredményez az égéstér falai között. A keverék friss töltését fecskendezik a hengerbe, és a kipufogógázok kilépnek a nyílásokon keresztül, egy kompresszor segítségével, amely levegőt pumpál a motoron keresztül. Achates rámutat, hogy ez az együttáram lefújása jótékony hatással van az üzemanyag-fogyasztásra és a kibocsátásra.
Az amerikai hadsereg azt szeretné, ha az ACE család modulárisan méretezhető hajtóművei azonos furatú és löketű, különböző hengerszámú motorokat tartalmaznának: 600-750 LE. (3 henger); 300-1000 LE (4); és 1200-1500 LE. (6). Minden erőmű egy térfogatot foglal el - 0,53 m magasságú és 1, 1 m széles, ennek megfelelően 1,04 m, 1,25 m és 1,6 m hosszú.
Technológiai célok
Egy 2010-ben végzett belső hadsereg-tanulmány megerősítette a bokszmotorok előnyeit, így született meg a következő generációs harci motor (NGCE) projekt, amelyben az ipari vállalkozások bemutatták az ezen a területen elért fejlődésüket. A feladat a 71 LE teljesítmény elérése volt. hengerenként, és összteljesítménye 225 LE. 2015 -re a páncélozott kutatóközpontban tesztelt kísérleti motoron mindkettő könnyen túlléphető.
Ugyanezen év februárjában a hadsereg kétéves program keretében szerződést ítélt oda az AVL Powertrain Engineering és az Achates Power kísérleti ACE egyhengeres motorjai számára, amelynek keretében a következő jellemzők elérése volt a cél: teljesítmény 250 LE, nyomaték 678 Nm, fajlagos üzemanyag -fogyasztás 0, 14 kg / LE / h, és a hőelvezetés kevesebb, mint 0,45 kW / kW. Minden mutatót túlléptek, kivéve a hőátadást, itt nem lehetett 0,506 kW / kW alá süllyedni.
2017 nyarán a Cummins és az Achates megkezdte a munkát az ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) szerződés alapján, hogy bemutassa az 1000 lóerős négyhengeres motort. nyomatéka 2700 Nm, és ugyanazok a követelmények a fajlagos üzemanyag -fogyasztásra és hőátadásra. Az első motort 2018 júliusában gyártották, és az első üzemi teszteket ugyanezen év végére befejezték. 2019 augusztusában a motort beszerelték és tesztelték a TARDEC Igazgatósághoz.
A boxermotor és a hibrid elektromos hajtás kombinációja javítaná a különböző típusú és méretű járművek hatékonyságát, mind katonai, mind polgári. Ezt szem előtt tartva a Fejlett Kutatási és Fejlesztési Hatóság 2 millió dollárt bocsátott ki az Achates részére egy fejlett egyhengeres boxermotor kifejlesztésére a jövő hibrid járművei számára; ebben a projektben a vállalat együttműködik a Michigani Egyetemmel és a Nissannal.
Dugattyús vezérlés
A koncepciónak megfelelően ez a motor először olyan szorosan integrálta az elektromos alrendszert és a belső égésű motort, hogy a két főtengely mindegyike forog, és saját motorgenerátorral hajtható; nincs mechanikus kapcsolat a tengelyek között.
Az Achates megerősítette, hogy a motort csak szekvenciális hibrid rendszerekhez tervezték, mivel az általa termelt összes energiát elektromosan továbbítják, és a generátorok feltöltik az akkumulátort, hogy kiterjesszék a hatótávolságot. A tengelyek közötti mechanikus kapcsolat nélkül a pillanat nem kerül továbbításra, ami a terhelések csökkenéséhez vezet. Ennek eredményeként könnyebbé tehetők, csökkenthetők a teljes súly és méret, a súrlódás és a zaj, valamint a költségek.
Talán a legfontosabb, hogy a leválasztott főtengelyek lehetővé teszik az egyes dugattyúk független vezérlését a teljesítményelektronika segítségével. "Ez a projektünk fontos része, fontos meghatározni, hogy az elektromos motorok és vezérlők fejlesztése hogyan javíthatná a belső égésű motor hatékonyságát." Az Achates szóvivője megerősítette, hogy ez a konfiguráció lehetővé teszi a főtengely időzítésének vezérlését, ami új lehetőségeket nyit meg. "Arra törekszünk, hogy javítsuk a dugattyúvezérlés hatékonyságát, amely nem érhető el a hagyományos mechanikus kommunikációval."
Ezen a ponton kevés információ áll rendelkezésre a független dugattyús vezérlés alkalmazásáról, de elméletileg lehetséges, hogy a löketet nagyobbá tegyük, mint például a kompressziós löket, és ezáltal több energiát nyerjünk ki a levegő / üzemanyag töltéséből keverék. Hasonló séma valósul meg a hibrid autókba szerelt négyütemű Atkinson motorokban is. A Toyota Priusban például ezt változtatható szelepvezérléssel érik el.
Sokáig nyilvánvaló volt, hogy az érett technológiák - például a belső égésű motorok - nagy fejlesztései nem könnyűek, de a fejlett bokszmotorok jelenthetik a valódi előnyöket a katonai járművek számára, különösen elektromos hajtásrendszerekkel kombinálva. …
