Energiu potrebnú na pohon pozemných vozidiel a na prevádzku ich systémov a zostáv tradične dodávajú naftové motory. Zníženie spotreby paliva nielenže zvyšuje dojazd, ale tiež znižuje množstvo logistiky, ktoré je podmienené údržbou zásob paliva, a zvyšuje ochranu zadného servisného personálu v procese servisu zariadení.
V tomto ohľade sa ozbrojené sily usilujú nájsť riešenie, v ktorom by vysoká účinnosť a vysoké špecifické spaľovacie teplo motorovej nafty obsiahnuté v systémoch s elektrickým pohonom fungovali v jednom „tíme“. Nové hybridné riešenia a pokročilé spaľovacie motory majú potenciál ponúknuť skvelé praktické výhody popri tichom elektrickom pohone, tichom monitorovaní (senzory napájané batériami, keď sú v pokoji) a výrobe energie pre externých spotrebiteľov.
Potenciál pohonnej jednotky
Spoločnosť Research Canada (DRDC) napríklad skúma realizovateľnosť hybridných dieselovo-elektrických pohonných jednotiek. FDA publikoval svoj výskum v roku 2018 so zameraním na ľahké taktické platformy, ako sú HMMWV, ultraľahké bojové vozidlá triedy DAGOR a malé jednomiestne a viacmiestne štvorkolky.
V správe uskutočniteľnosti hybridných dieselových a elektrických pohonných jednotiek pre ľahké taktické vozidlá sa uvádza, že vo väčšine jazdných režimov, kde sa rýchlosti a zaťaženie výrazne líšia (spravidla v teréne), majú hybridné vozidlá o 15%-20% nižšiu palivovú úspornosť, pokiaľ ide o úsporu paliva. tradičné mechanicky poháňané stroje, najmä pri použití regeneratívneho brzdenia. Navyše spaľovacie motory vrátane naftových motorov podávajú najlepšie výkony pri starostlivo zvolených konštantných otáčkach, čo je typické pre sekvenčné hybridné systémy, v ktorých motor pracuje iba ako generátor.
Ako uvádza správa, pretože pretože výkon motora je možné počas krátkych období špičkovej spotreby energie doplniť batériami, je možné motor vyladiť tak, aby poskytoval iba priemerný požadovaný výkon, pričom menšie pohonné jednotky spravidla používajú menej paliva, pričom všetky ostatné veci sú rovnaké.
S dostatočnou kapacitou batérie môžu hybridy tiež zostať dlho v tichom režime monitorovania pri vypnutom motore a funkčných senzoroch, elektronike a komunikačných systémoch. Okrem toho môže systém napájať externé zariadenia, nabíjať batérie a dokonca aj napájať vojenský tábor, čím sa znižuje potreba ťahaných generátorov.
Zatiaľ čo hybridné pohony ponúkajú vynikajúci výkon, pokiaľ ide o rýchlosť, akceleráciu a stúpavosť, batéria môže byť ťažká a nepraktická, čo má za následok zníženie užitočného zaťaženia, uvádza DRDC. To môže byť pre ultraľahké vozidlá a jednomiestne štvorkolky problém. Navyše, pri nízkych teplotách sú charakteristiky samotných batérií znížené, často majú problémy s nabíjaním a reguláciou teploty.
Napriek tomu, že sekvenčné hybridy eliminujú mechanickú prevodovku, potreba motora, generátora, výkonovej elektroniky a batérie ich v konečnom dôsledku nevyhnutne komplikuje nákup a údržbu.
Väčšina elektrolytov v batériách môže tiež predstavovať riziko pri poškodení, napríklad je známe, že lítium-iónové články sa pri poškodení vznietia. Správa uvádza, že či to predstavuje väčšie riziko ako dodávka motorovej nafty, je pravdepodobne diskutabilné, ale hybridy nesú obe riziká.
Kombinovaný výber
Dve hlavné schémy kombinovania spaľovacích motorov s elektrickými zariadeniami sú sériové a paralelné. Ako bolo uvedené vyššie, sériová hybridná platforma je elektrický stroj s generátorom, zatiaľ čo paralelne je tu motor a trakčný motor, ktoré prostredníctvom mechanickej prevodovky, ktorá je k nim pripojená, prenášajú silu na kolesá. To znamená, že motor alebo trakčný motor môžu poháňať stroj jednotlivo alebo môžu spolupracovať.
U oboch typov hybridov je elektrickou súčiastkou obvykle súprava motorgenerátora (MGU), ktorá dokáže premieňať elektrickú energiu na pohyb a naopak. Dokáže riadiť auto, nabíjať batériu, naštartovať motor a v prípade potreby šetriť energiou prostredníctvom regeneratívneho brzdenia.
Sériové aj paralelné hybridy sa spoliehajú na výkonovú elektroniku, ktorá riadi napájanie z batérie a reguluje teplotu batérie. Poskytujú tiež napätie a prúd, ktoré musí generátor dodávať batériám a batériám zasa elektromotorom.
Táto výkonová elektronika sa dodáva vo forme polovodičových meničov na báze polovodičov z karbidu kremíka, ktorých nevýhody spravidla zahrnujú veľké rozmery a náklady, ako aj tepelné straty. Výkonová elektronika tiež vyžaduje riadiacu elektroniku podobnú tej, ktorá poháňa spaľovací motor.
História elektricky poháňaných vojenských vozidiel doteraz pozostávala z experimentálnych a ambicióznych vývojových programov, ktoré boli nakoniec uzavreté. V skutočnej prevádzke stále neexistujú žiadne hybridné vojenské vozidlá, najmä v oblasti ľahkých taktických vozidiel zostáva niekoľko nevyriešených technologických problémov. Tieto problémy možno považovať za do značnej miery vyriešené v prípade civilných vozidiel, pretože fungujú v oveľa priaznivejších podmienkach.
Elektromobily sa ukázali byť veľmi rýchle. Napríklad experimentálna štvormiestna batéria Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) spoločnosti Nikola Motor poháňaná batériami dokáže zrýchliť z 0 na 97 km / h za 4 sekundy a má dojazd 241 km.
„Rozloženie je však jednou z tých veľkých výziev,“hovorí správa DRDC. Veľkosť, hmotnosť a rozptyl tepla batériových zväzkov sú dosť veľké a je potrebné urobiť kompromis medzi celkovou energetickou kapacitou a okamžitým výkonom, ktorý môžu pri danej hmotnosti a objeme dodať. Alokácia objemu vysokonapäťových káblov, ich spoľahlivosť a bezpečnosť sú tiež prekážkami spolu s veľkosťou, hmotnosťou, chladením, spoľahlivosťou a vodotesnosťou výkonovej elektroniky.
Teplo a prach
V správe sa uvádza, že teplotné výkyvy, ktorým čelia vojenské vozidlá, sú možno najväčším problémom, pretože lítium-iónové batérie sa nebudú nabíjať pri teplotách pod nulou a vykurovacie systémy zvyšujú zložitosť a potrebu energie. Batérie, ktoré sa počas vybíjania prehrievajú, sú potenciálne nebezpečné, musia byť chladené alebo redukované na znížený režim, pričom sa môžu prehrievať aj motory a generátory, nakoniec nezabúdajte na permanentné magnety, ktoré sú náchylné na demagnetizáciu.
Rovnako tak pri teplotách nad asi 65 ° C klesá účinnosť zariadení, ako sú meniče IGBT, a preto potrebuje chladenie, aj keď novšia výkonová elektronika na báze polovodičov z karbidu kremíka alebo nitridu gália odoláva vyšším teplotám a preto môže byť chladený z chladiaceho systému motora.
Okrem toho šok a vibrácie z drsného terénu plus potenciálne škody, ktoré by mohli spôsobiť streľba a výbuchy, tiež sťažujú integráciu technológie elektrického pohonu do ľahkých vojenských vozidiel, uvádza sa v správe.
Správa dospieva k záveru, že DRDC by si malo objednať technologický demonštrátor. Jedná sa o relatívne jednoduché ľahké sekvenčné hybridné taktické vozidlo s elektromotormi inštalovanými buď v nábojoch kolies, alebo v nápravách, naftový motor je vyladený na príslušný špičkový výkon a je nainštalovaná sada super- alebo ultrakondenzátorov na zlepšenie akcelerácie a stupňovitosti.. Superkondenzátory alebo ultrakondenzátory uchovávajú veľmi veľký náboj na krátku dobu a môžu ho veľmi rýchlo uvoľniť a generovať energetické impulzy. Auto buď vôbec nebude, alebo bude nainštalovaná veľmi malá batéria, počas regeneratívneho brzdenia sa bude vyrábať elektrická energia, v dôsledku čoho sú režimy tichého pohybu a tichého pozorovania vylúčené.
Napájacie káble vedené iba k kolesám, ktoré nahrádzajú mechanickú prevodovku a hnacie hriadele, výrazne znížia hmotnosť stroja a zlepšia ochranu proti výbuchu, pretože je eliminovaný rozptyl sekundárnych úlomkov a úlomkov. Bez batérie sa vnútorný objem pre posádku a užitočné zaťaženie zvýši a stane sa bezpečnejším a odstránia sa problémy súvisiace s údržbou a tepelným manažmentom lítium-iónových batérií.
Pri vytváraní prototypu sú navyše stanovené tieto ciele: nižšia spotreba paliva relatívne malého naftového motora pracujúceho pri konštantných otáčkach, v kombinácii s rekuperáciou energie, zvýšenou výrobou energie pre prevádzkové snímače alebo exportom energie, zvýšenou spoľahlivosťou a zlepšenými službami.
Nárazom je to jedno
Ako vysvetlil Bruce Brandl z Armored Research Center (TARDEC) na prezentácii o vývoji motorov, americká armáda chce pohonný systém, ktorý umožní jej bojovým vozidlám pohybovať sa ťažším terénom pri vyšších rýchlostiach, čo výrazne zníži percento terénu vo vojnových zónach., na ktorých sa súčasné autá nemôžu pohybovať. Takzvaný nepriechodný terén tvorí asi 22% týchto zón a armáda chce tento údaj znížiť na 6%. Chcú tiež zvýšiť priemernú rýchlosť na väčšine územia z dnešných 16 km / h na 24 km / h.
Brandl navyše zdôraznil, že sa plánuje zvýšenie dopytu po energii na palube najmenej na 250 kW, to znamená, že bude vyšší, ako môžu generátory stroja poskytnúť, pretože sa pridávajú záťaže z nových technológií, napríklad z elektrifikovaných veží a ochranných systémov., chladenie výkonovej elektroniky., export energie a usmernené energetické zbrane.
Americká armáda odhaduje, že splnenie týchto potrieb súčasnou technológiou turbodieselov zvýši objem motora o 56% a hmotnosť vozidla asi o 1400 kg. Preto pri vývoji svojej pokrokovej elektrárne Advanced Combat Engine (ACE) bola stanovená hlavná úloha - zdvojnásobiť celkovú hustotu výkonu z 3 hp / cu. ft až 6 hp / cu. noha.
Aj keď je vyššia hustota výkonu a lepšia palivová účinnosť pre budúcu generáciu vojenských motorov veľmi dôležité, je rovnako dôležité zníženie tepelného výkonu. Toto generované teplo je zbytočná energia rozptýlená do okolitého priestoru, aj keď by sa dala použiť na pohon alebo výrobu elektrickej energie. Nie je však vždy možné dosiahnuť dokonalú rovnováhu všetkých týchto troch parametrov, napríklad motor s plynovou turbínou AGT 1500 nádrže M1 Abrams s výkonom 1 500 k. má nízky prenos tepla a vysokú hustotu výkonu, ale v porovnaní s naftovými motormi veľmi vysokú spotrebu paliva.
V skutočnosti motory s plynovými turbínami generujú veľké množstvo tepla, ale väčšina z nich je odvádzaná výfukovým potrubím kvôli vysokému prietoku plynu. V dôsledku toho plynové turbíny nepotrebujú chladiace systémy, ktoré potrebujú dieselové motory. Vysoký špecifický výkon naftových motorov je možné dosiahnuť iba vyriešením problému tepelnej regulácie. Brandl zdôraznil, že je to hlavne kvôli obmedzenému objemu dostupnému pre chladiace zariadenia, ako sú potrubia, čerpadlá, ventilátory a radiátory. Ochranné štruktúry, ako napríklad nepriestrelné mriežky, navyše zaberajú objem a obmedzujú prúdenie vzduchu, čím sa znižuje účinnosť ventilátorov.
Piesty smerom k
Ako poznamenal Brandl, program ACE sa zameriava na dvojtaktné dieselové / viacpalivové motory s protiľahlými piestami kvôli ich inherentne nízkemu úniku tepla. V takýchto motoroch sú do každého valca umiestnené dva piesty, ktoré medzi sebou tvoria spaľovaciu komoru, v dôsledku čoho je hlava valca vylúčená, čo však vyžaduje dva kľukové hriadele a sacie a výfukové otvory v stenách valcov. Motory typu boxer siahajú do 30. rokov 20. storočia a v priebehu desaťročí sa neustále zdokonaľovali. Tento starý nápad nešetril ani spoločnosť Achates Power, ktorá v spolupráci s Cummins tento motor oživila a zmodernizovala.
Hovorca spoločnosti Achates Power uviedol, že ich technológia boxer má zlepšenú tepelnú účinnosť, čo sa prejavuje nižšími tepelnými stratami, zlepšeným spaľovaním a zníženými stratami pri čerpaní. Odstránenie hlavy valcov výrazne znížilo pomer povrchu k objemu v spaľovacej komore, a tým aj prenos a uvoľnenie tepla v motore. Naproti tomu v tradičnom štvortaktnom motore obsahuje hlava valcov mnoho najhorúcejších komponentov a je hlavným zdrojom prenosu tepla do chladiacej kvapaliny a okolitej atmosféry.
Spaľovací systém Achates využíva dvojité vstrekovače paliva diametrálne umiestnené v každom valci a patentovaný tvar piestu na optimalizáciu zmesi vzduch / palivo, čo má za následok nízke spaľovanie sadzí a znížený prenos tepla na steny spaľovacej komory. Čerstvá dávka zmesi sa vstrekuje do valca a výfukové plyny vystupujú cez otvory, pričom im pomáha kompresor, ktorý pumpuje vzduch cez motor. Achates poukazuje na to, že toto súbežné vypúšťanie má priaznivý vplyv na úsporu paliva a emisie.
Americká armáda chce, aby rodina modulárnych škálovateľných pohonných jednotiek ACE zahŕňala motory s rovnakým vrtaním a zdvihom a rôznym počtom valcov: 600-750 koní. (3 valce); 300-1 000 HP (4); a 1 200-1 500 koní. (6). Každá elektráreň zaberie objem - výšku 0,53 ma šírku 1, 1 m, a teda aj dĺžku 1,04 m, 1,25 m a 1,6 m.
Technologické ciele
Interná armádna štúdia vykonaná v roku 2010 potvrdila výhody motorov boxer a vyústila do projektu Combat Engine ďalšej generácie (NGCE), v ktorom priemyselné podniky predstavili svoj vývoj v tejto oblasti. Úlohou bolo dosiahnuť 71 koní. na valec a celkový výkon 225 koní. Do roku 2015 boli obe tieto čísla ľahko prekročené na experimentálnom motore testovanom v Armored Research Center.
Vo februári toho istého roku armáda zadala zákazky spoločnosti AVL Powertrain Engineering a Achates Power na experimentálne jednovalcové motory ACE v rámci dvojročného programu, v rámci ktorého bolo cieľom dosiahnuť tieto charakteristiky: výkon 250 koní, krútiaci moment 678 Nm, špecifická spotreba paliva 0, 14 kg / hp / h a odvod tepla menší ako 0,45 kW / kW. Boli prekročené všetky ukazovatele, okrem prenosu tepla, tu nebolo možné klesnúť pod 0,506 kW / kW.
V lete 2017 začali Cummins a Achates pracovať na základe zmluvy o viacvalcovom motore ACE (MCE) s cieľom predviesť štvorvalcový motor s výkonom 1 000 k. krútiaci moment 2 700 Nm a rovnaké požiadavky na špecifickú spotrebu paliva a prenos tepla. Prvý motor bol vyrobený v júli 2018 a počiatočné prevádzkové testy boli dokončené do konca toho istého roku. V auguste 2019 bol motor dodaný riaditeľstvu TARDEC na inštaláciu a testovanie.
Kombinácia motora boxer a hybridného elektrického pohonu by zlepšila účinnosť vozidiel rôznych typov a veľkostí, vojenských aj civilných. S ohľadom na to vydal Úrad pre pokročilý výskum a vývoj 2 milióny dolárov spoločnosti Achates na vývoj pokročilého jednovalcového motora typu boxer pre budúce hybridné vozidlá; na tomto projekte spoločnosť spolupracuje s University of Michigan a Nissan.
Ovládanie piestom
V súlade s koncepciou tento motor po prvýkrát tak úzko integroval elektrický subsystém a spaľovací motor, každý z dvoch kľukových hriadeľov sa otáča a môže byť poháňaný vlastnou sadou motor-generátor; medzi hriadeľmi nie je žiadne mechanické spojenie.
Achates potvrdil, že motor je určený iba pre sekvenčné hybridné systémy, pretože všetok výkon, ktorý generuje, je prenášaný elektricky a agregáty nabíjajú batériu, aby sa predĺžil dojazd. Bez mechanického spojenia medzi hriadeľmi sa moment neprenáša, čo vedie k zníženiu zaťaženia. Vďaka tomu môžu byť ľahšie, znižovať celkovú hmotnosť a veľkosť, trenie a hluk a znižovať náklady.
Asi najdôležitejšie je, že odpojené kľukové hriadele umožňujú nezávislé ovládanie každého piesta pomocou výkonovej elektroniky. „Toto je dôležitá súčasť nášho projektu, je dôležité určiť, ako by vývoj elektrických motorov a ovládacích prvkov mohol zvýšiť účinnosť spaľovacieho motora.“Hovorca spoločnosti Achates potvrdil, že táto konfigurácia umožňuje ovládanie časovania kľukového hriadeľa, čo otvára nové možnosti. „Snažíme sa zlepšiť účinnosť ovládania piestom, ktoré nie je k dispozícii v tradičnej mechanickej komunikácii.“
V tomto mieste je k dispozícii málo informácií o tom, ako je možné použiť nezávislé ovládanie piestov, ale teoreticky je možné zdvih zdvihnúť napríklad ako zdvih kompresný, a tak extrahovať viac energie zo vsádzky vzduch / palivo. zmes. Podobná schéma je implementovaná v štvortaktných motoroch Atkinson inštalovaných v hybridných automobiloch. Napríklad v Toyote Prius sa to dosahuje variabilným časovaním ventilov.
Po dlhú dobu bolo zrejmé, že veľké vylepšenia vyspelých technológií, akými sú spaľovacie motory, nie je ľahké dosiahnuť, ale pokročilé motory typu boxer by mohli predstavovať skutočné výhody pre vojenské vozidlá, najmä v kombinácii s elektrickými pohonnými systémami. …
