Energiju potrebnu za pogon kopnenih vozila i upravljanje njihovim sustavima i sklopovima tradicionalno osiguravaju dizelski motori. Smanjenje potrošnje goriva ne samo da povećava domet, već i smanjuje količinu logistike, koja je određena održavanjem zaliha goriva, te povećava sigurnost stražnjeg servisnog osoblja u procesu servisiranja opreme.
S tim u vezi, oružane snage nastoje pronaći rješenje u kojem bi visoka učinkovitost i velika specifična toplina izgaranja dizelskog goriva svojstvena sustavima s električnim pogonom djelovala u jednom "timu". Nova hibridna rješenja i napredni motori s unutarnjim izgaranjem imaju potencijal ponuditi velike praktične prednosti uz tihi jedno-električni pogon, tihi nadzor (senzori na baterije dok su u mirovanju) i proizvodnju energije za vanjske potrošače.
Potencijal pogonskog sklopa
Na primjer, Research Canada (DRDC) istražuje izvedivost hibridnih dizel-električnih pogona. FDA je objavila svoje istraživanje 2018. godine, usredotočujući se na lagane taktičke platforme poput HMMWV-a, ultralakih borbenih vozila klase DAGOR i malih ATV-a s jednim i više sjedala.
U izvješću Izvodljivost hibridnih dizelsko-električnih pogonskih sklopova za laka taktička vozila napominje se da u većini načina vožnje gdje se brzine i opterećenja značajno razlikuju (obično off-road), hibridi imaju 15% -20% bolju učinkovitost u smislu potrošnje goriva u usporedbi s tradicionalni strojevi s mehaničkim pogonom, osobito kada se koristi regenerativno kočenje. Osim toga, motori s unutarnjim izgaranjem, uključujući i dizelske, najbolje se ponašaju kada rade pri pažljivo odabranim konstantnim okretajima, što je tipično za sekvencijalne hibridne sustave, u kojima motor radi samo kao generator.
Kako se navodi u izvješću, budući da se snaga motora može nadopuniti baterijama tijekom kratkih razdoblja najveće potrošnje energije, motor se može podesiti tako da osigurava samo prosječnu potrebnu snagu, pri čemu manje pogonske jedinice općenito troše manje goriva, pod istim uvjetima.
Uz dovoljan kapacitet baterije, hibridi također mogu dugo ostati u tihom načinu nadzora s isključenim motorom i radnim senzorima, elektronikom i komunikacijskim sustavima. Osim toga, sustav može napajati vanjsku opremu, puniti baterije, pa čak i napajati vojni kamp, smanjujući potrebu za vučenim generatorima.
Dok hibridni pogoni nude vrhunske performanse u smislu brzine, ubrzanja i ocjenjivanja, baterija može biti teška i nezgrapna, što rezultira smanjenim korisnim opterećenjem, rekao je DRDC. To može biti problem za ultralaka vozila i jednosjedna terenska vozila. Osim toga, na niskim temperaturama smanjuju se karakteristike samih baterija, često imaju problema s punjenjem i kontrolom temperature.
Iako sekvencijalni hibridi uklanjaju mehanički prijenos, potreba za motorom, generatorom, energetskom elektronikom i baterijom neizbježno ih čini krajnje teškim i skupim za kupnju i održavanje.
Većina elektrolita iz baterije također može predstavljati rizik pri oštećenju, na primjer, poznato je da se litij-ionske ćelije zapale kad se oštete. Iznosi li to veći rizik od opskrbe dizelskim gorivom, možda je sporno, ističe se u izvješću, ali hibridi nose oba rizika.
Odabir kombinacije
Dvije glavne sheme za kombiniranje motora s unutarnjim izgaranjem i električnih uređaja su serijske i paralelne. Kao što je gore spomenuto, serijska hibridna platforma je električni stroj s generatorom, dok paralelno postoje motor i vučni motor, koji putem mehaničkog prijenosa spojenog na njih prenose snagu na kotače. To znači da motor ili vučni motor mogu pokretati stroj pojedinačno ili mogu raditi zajedno.
U obje vrste hibrida, električna komponenta je tipično motor-generator (MGU), koji može pretvoriti električnu energiju u kretanje i obrnuto. Može voziti automobil, napuniti bateriju, pokrenuti motor i po potrebi uštedjeti energiju regenerativnim kočenjem.
I serijski i paralelni hibridi oslanjaju se na energetsku elektroniku za upravljanje napajanjem baterije i regulaciju temperature baterije. Oni također osiguravaju napon i amperažu koju generator mora opskrbiti baterijama, a baterije zauzvrat električnim motorima.
Ova energetska elektronika dolazi u obliku poluvodičkih pretvarača na bazi poluvodiča od silicijevog karbida, čiji nedostaci u pravilu uključuju veliku veličinu i cijenu, kao i gubitak topline. Energetska elektronika također zahtijeva upravljačku elektroniku sličnu onoj koja pokreće motor s unutarnjim izgaranjem.
Do sada se povijest vojnih vozila na električni pogon sastojala od eksperimentalnih i ambicioznih razvojnih programa koji su na kraju zatvoreni. U stvarnom pogonu još uvijek nema hibridnih vojnih vozila, osobito na području lakih taktičkih vozila, ostalo je nekoliko neriješenih tehnoloških problema. Ovi se problemi mogu smatrati uglavnom riješenima za civilna vozila jer rade u mnogo povoljnijim uvjetima.
Električni automobili pokazali su se vrlo brzima. Na primjer, eksperimentalno četverosjede "Reckless Utility" Tactical Vehicle (UTV) tvrtke Nikola Motor može ubrzati od 0 do 97 km / h u 4 sekunde i ima doseg od 241 km.
"Raspored je, međutim, jedan od onih velikih izazova", kaže se u izvješću DRDC -a. Veličina, težina i rasipanje topline baterija prilično su veliki i mora se napraviti kompromis između ukupnog energetskog kapaciteta i trenutne snage koju mogu isporučiti za datu masu i volumen. Raspodjela volumena za visokonaponske kabele, njihova pouzdanost i sigurnost također predstavljaju uska grla zajedno s veličinom, težinom, hlađenjem, pouzdanošću i hidroizolacijom energetske elektronike.
Toplina i prašina
U izvješću se navodi da su temperaturne promjene s kojima se suočavaju vojna vozila možda najveći problem jer se litij-ionske baterije neće puniti pri temperaturama ispod nule, a sustavi grijanja dodaju složenost i potrebna im je energija. Baterije koje se pregrijavaju tijekom pražnjenja potencijalno su opasne, moraju se ohladiti ili smanjiti na smanjeni način rada, dok se motori i generatori također mogu pregrijati, na kraju, ne zaboravite na stalne magnete koji su skloni razmagnetiziranju.
Isto tako, na temperaturama iznad oko 65 ° C, učinkovitost uređaja poput IGBT pretvarača opada i stoga treba hlađenje, iako novija energetska elektronika na bazi poluvodiča od silicijevog karbida ili galijevog nitrida, osim što radi pri povećanom naponu, podnosi i veće temperature i, stoga se može hladiti iz sustava hlađenja motora.
Osim toga, udar i vibracije na neravnom terenu, plus potencijalna šteta koja bi mogla biti uzrokovana granatiranjem i eksplozijama, također otežava integraciju tehnologije električnog pogona u laka vojna vozila, napominje se u izvješću.
Izvješće zaključuje da bi DRDC trebao naručiti tehnološkog demonstratora. To je relativno jednostavno lagano sekvencijalno hibridno taktičko vozilo s elektromotorima ugrađenim bilo u glavčine kotača ili u osovine, dizelski motor podešen je na odgovarajuću vršnu snagu, a postavljen je i niz superkondenzatora ili ultrakondenzatora za poboljšanje ubrzanja i penjanja. Superkondenzatori ili ultrakondenzatori pohranjuju vrlo veliko punjenje za kratko vrijeme i mogu ga vrlo brzo osloboditi za generiranje impulsa snage. Automobil uopće neće biti ili će biti ugrađena vrlo mala baterija, električna energija će se stvarati u procesu regenerativnog kočenja, zbog čega su isključeni načini tihog kretanja i tihog promatranja.
Električni kabeli koji idu samo do kotača, zamjenjujući mehanički prijenos i pogonska vratila, značajno će smanjiti težinu stroja i poboljšati zaštitu od eksplozije, budući da je eliminirano rasipanje sekundarnih ostataka i ulomaka. Bez baterije, unutarnji volumen posade i korisni teret povećat će se i postati sigurniji, a problemi povezani s održavanjem i upravljanjem toplinom litij-ionskih baterija bit će uklonjeni.
Osim toga, prilikom stvaranja prototipa postavljaju se sljedeći ciljevi: niža potrošnja goriva relativno malog dizelskog motora koji radi pri konstantnim okretajima u minuti, u kombinaciji s povratom energije, povećana proizvodnja energije za radne senzore ili izvoz energije, povećana pouzdanost i poboljšana usluga.
Neravnine ne mare
Kako je na prezentaciji o razvoju motora objasnio Bruce Brandl iz Oklopnog istraživačkog centra (TARDEC), američka vojska želi pogonski sustav koji će omogućiti njezinim borbenim vozilima kretanje po težim terenima pri većim brzinama, što će značajno smanjiti postotak terena u ratnim zonama.na kojima se trenutni automobili ne mogu kretati. Takozvani neprohodni teren čini oko 22% ovih zona i vojska želi smanjiti tu brojku na 6%. Također žele povećati prosječnu brzinu na većem dijelu područja sa današnjih 16 km / h na 24 km / h.
Osim toga, Brandl je naglasio da se planira povećati potreba za energijom na brodu na najmanje 250 kW, odnosno više od onoga što generatori strojeva mogu pružiti, jer se opterećenja dodaju novim tehnologijama, na primjer, elektrificiranim tornjevima i sustavima zaštite, hlađenje energetske elektronike., izvoz energije i usmjereno energetsko oružje.
Američka vojska procjenjuje da će podmirivanje ovih potreba s trenutnom tehnologijom turbodizelaša povećati obujam motora za 56%, a težinu vozila za oko 1400 kg. Stoga je pri razvoju svoje napredne elektrane Advanced Combat Engine (ACE) postavljen glavni zadatak - udvostručiti ukupnu gustoću snage sa 3 KS / kubik. ft do 6 KS / cu. noga.
Iako su veća gustoća snage i bolja učinkovitost goriva vrlo važni za sljedeću generaciju vojnih motora, jednako je važno smanjiti i toplinsku snagu. Ova generirana toplina troši se rasipana energija koja se rasipa u okolni prostor, iako se može koristiti za pokretanje ili stvaranje električne energije. No, daleko od toga da je uvijek moguće postići savršenu ravnotežu sva ova tri parametra, na primjer, plinskoturbinski motor AGT 1500 spremnika M1 Abrams snage 1500 KS. ima nizak prijenos topline i veliku gustoću snage, ali vrlo veliku potrošnju goriva u usporedbi s dizelskim motorima.
Zapravo, motori s plinskim turbinama stvaraju veliku količinu topline, ali većina se uklanja zbog ispušne cijevi, zbog velike brzine protoka plina. Zbog toga plinskim turbinama nisu potrebni rashladni sustavi koji su potrebni dizelskim motorima. Visoka specifična snaga dizelskih motora može se postići samo rješavanjem problema toplinske regulacije. Brandl je naglasio da je to uglavnom zbog ograničene količine raspoložive za rashladnu opremu poput cjevovoda, crpki, ventilatora i radijatora. Osim toga, zaštitne konstrukcije poput neprobojnih rešetki također preuzimaju volumen i ograničavaju protok zraka, smanjujući učinkovitost ventilatora.
Klipovi prema
Kao što je Brandl primijetio, program ACE usredotočen je na dvotaktne dizelske motore / motore s više goriva s suprotnim klipovima zbog svojstvenog niskog odvođenja topline. U takvim su motorima u svaki cilindar postavljena dva klipa, koji između njih tvore komoru za izgaranje, pa je tako isključena glava motora, ali to zahtijeva dvije radilice i usisne i ispušne otvore u stijenkama cilindra. Boxer motori datiraju iz 1930 -ih godina i neprestano se poboljšavaju tijekom desetljeća. Ovu staru ideju nije poštedjela ni tvrtka Achates Power koja je u suradnji s Cumminsom oživjela i modernizirala ovaj motor.
Glasnogovornik Achates Power -a rekao je da je njihova boksačka tehnologija poboljšala toplinsku učinkovitost, što znači niže gubitke topline, poboljšano izgaranje i smanjenje gubitaka pri pumpanju. Uklanjanje glave motora značajno je smanjilo omjer površine prema volumenu u komori za izgaranje, a time i prijenos i oslobađanje topline u motoru. Nasuprot tome, u tradicionalnom četverotaktnom motoru glava motora sadrži mnoge najtoplije komponente i glavni je izvor prijenosa topline u rashladnu tekućinu i okolnu atmosferu.
Sustav izgaranja Achates koristi dvostruke brizgaljke za gorivo dijametralno postavljene u svakom cilindru i patentirani oblik klipa za optimizaciju smjese zrak / gorivo, što rezultira niskim izgaranjem čađe i smanjenim prijenosom topline na stijenke komore za izgaranje. Svježi naboj smjese ubrizgava se u cilindar, a ispušni plinovi izlaze kroz otvore, potpomognuti kompresorom koji pumpa zrak kroz motor. Achates ističe da ovaj izravni protok blagotvorno utječe na uštedu goriva i emisije.
Američka vojska želi da ACE obitelj modularno prilagodljivih pogonskih sklopova uključi motore s istim promjerom i hodom i različitim brojevima cilindara: 600-750 KS. (3 cilindra); 300-1000 KS (4); i 1200-1500 KS. (6). Svaka će elektrana zauzimati volumen - visinu od 0, 53 m i širinu od 1,1 m te, prema tome, duljinu od 1, 04 m, 1, 25 m i 1, 6 m.
Tehnološki ciljevi
Interna vojna studija provedena 2010. potvrdila je prednosti boksačkih motora, što je rezultiralo projektom borbene mašine sljedeće generacije (NGCE), u kojem su industrijska poduzeća predstavila svoj razvoj na ovom području. Zadatak je bio doseći 71 KS. po cilindru i ukupne snage 225 KS. Do 2015. godine oba su ova broja lako premašena na eksperimentalnom motoru testiranom u Oklopnom istraživačkom centru.
U veljači iste godine vojska je dodijelila ugovore tvrtki AVL Powertrain Engineering i Achates Power za eksperimentalne jednocilindrične motore ACE u okviru dvogodišnjeg programa, u okviru kojeg je cilj bio postići sljedeće karakteristike: snaga 250 KS, okretni moment 678 Nm, specifična potrošnja goriva 0, 14 kg / KS / h i rasipanje topline manje od 0,45 kW / kW. Svi pokazatelji su premašeni, osim prijenosa topline, ovdje nije bilo moguće pasti ispod 0,506 kW / kW.
U ljeto 2017. godine, Cummins i Achates započeli su s radom prema ugovoru ACE Multi-Cylinder Engine (MCE) kako bi demonstrirali četverocilindrični motor od 1.000 KS. okretni moment od 2700 Nm i isti zahtjevi za specifičnu potrošnju goriva i prijenos topline. Prvi motor proizveden je u srpnju 2018., a početna radna ispitivanja dovršena su do kraja iste godine. U kolovozu 2019. motor je isporučen TARDEC -u na ugradnju i ispitivanje.
Kombinacija boksačkog motora i hibridnog električnog pogona poboljšala bi učinkovitost vozila različitih vrsta i veličina, vojnih i civilnih. Imajući to na umu, Uprava za napredna istraživanja i razvoj dodijelila je 2 milijuna dolara Achatesu za razvoj naprednog jednocilindričnog boxer motora za buduća hibridna vozila; u ovom projektu tvrtka surađuje sa Sveučilištem u Michiganu i Nissanom.
Upravljanje klipom
U skladu s konceptom, po prvi put su električni podsustav i motor s unutarnjim izgaranjem tako blisko integrirani u ovaj motor, da se svaka od dvije radilice okreće i može se pokretati vlastitim moto-generatorskim sklopom; nema mehaničkih veza između vratila.
Achates je potvrdio da je motor dizajniran samo za sekvencijalne hibridne sustave, jer se sva snaga koju generira prenosi električno, a generatori pune bateriju kako bi proširili domet. Bez mehaničke veze između vratila, moment se ne prenosi, što dovodi do smanjenja opterećenja. Zbog toga se mogu učiniti lakšima, smanjiti ukupnu težinu i veličinu, trenje i buku te smanjiti troškove.
Možda najvažnije, odvojene radilice omogućuju neovisnu kontrolu svakog klipa korištenjem energetske elektronike. "Ovo je važan dio našeg projekta, važno je utvrditi kako bi razvoj elektromotora i kontrola mogao poboljšati učinkovitost motora s unutarnjim izgaranjem." Glasnogovornik Achatesa potvrdio je da ova konfiguracija omogućuje kontrolu vremena radilice, što otvara nove mogućnosti. "Nastojimo poboljšati učinkovitost upravljanja klipom, koja nije dostupna s tradicionalnom mehaničkom komunikacijom."
Trenutno je dostupno malo informacija o tome kako se može koristiti neovisno upravljanje klipom, ali u teoriji je moguće povećati hod od, na primjer, kompresijskog hoda i tako izvući više energije iz naboja smjese zrak / gorivo. Slična shema implementirana je u četverotaktne Atkinsonove motore instalirane u hibridnim automobilima. U Toyoti Prius, na primjer, to se postiže promjenjivim razmakom ventila.
Dugo je vrijeme bilo očito da velika poboljšanja u zrelim tehnologijama, poput motora s unutarnjim izgaranjem, nije lako postići, ali napredni boksački motori mogli bi biti ono što bi vojnim vozilima dalo stvarne prednosti, posebno u kombinaciji s električnim pogonskim sustavima. …
