Energiju potrebnu za pogon kopnenih vozila i upravljanje njihovim sistemima i sklopovima tradicionalno osiguravaju dizel motori. Smanjenje potrošnje goriva ne samo da povećava domet, već i smanjuje količinu logistike, koja je određena održavanjem zaliha goriva, te povećava zaštitu stražnjeg servisnog osoblja u procesu servisiranja opreme.
S tim u vezi, oružane snage nastoje pronaći rješenje u kojem bi visoka efikasnost i velika specifična toplina sagorijevanja dizelskog goriva svojstvena sistemima s električnim pogonom funkcionirala u jednom "timu". Nova hibridna rješenja i napredni motori sa 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
Istraživanje Kanade (DRDC), na primjer, istražuje izvodljivost hibridnih dizel-električnih pogona. FDA je objavila svoje istraživanje 2018. godine s naglaskom na lakim taktičkim platformama poput HMMWV-a, ultralakih borbenih vozila klase DAGOR i malih ATV-a s jednim i više sjedala.
U izvještaju Izvodljivost hibridnih dizel-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 efikasnost potrošnje goriva u smislu uštede goriva. tradicionalne strojeve s mehaničkim pogonom, posebno kada se koristi regenerativno kočenje. Osim toga, motori sa unutrašnjim sagorijevanjem, uključujući dizelske motore, najbolje rade kada rade na pažljivo odabranim konstantnim okretajima, što je tipično za sekvencijalne hibridne sisteme u kojima motor radi samo kao generator.
Kako se u izvješću napominje, budući da se snaga motora može nadopuniti baterijama u kratkim razdobljima najveće potrošnje energije, motor se može podesiti tako da daje samo prosječnu potrebnu snagu, s tim da manje pogonske jedinice općenito troše manje goriva, pod istim uvjetima.
Uz dovoljan kapacitet baterije, hibridi mogu dugo ostati u tihom načinu rada s isključenim motorom i radnim senzorima, elektronikom i komunikacijskim sistemima. Osim toga, sistem 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 predstavljati problem za ultralaka vozila i terenska vozila s jednim sjedištem. 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 kupovinu i održavanje.
Većina elektrolita u baterijama također može predstavljati opasnost pri oštećenju, na primjer, poznato je da se litij-ionske ćelije zapale kada se oštete. Da li to predstavlja veći rizik od isporuke dizelskog goriva možda je sporno pitanje, ističe se u izvještaju, ali hibridi nose oba rizika.
Odabir kombinacije
Dvije glavne sheme za kombiniranje motora s unutrašnjim sagorijevanjem i električnih uređaja su serijske i paralelne. Kao što je gore spomenuto, serijska hibridna platforma je električna mašina s generatorom, dok paralelno postoje motor i vučni motor, koji putem mehaničkog mjenjača spojenog na njih prenose snagu na kotače. To znači da motor ili vučni motor mogu pokretati mašinu 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, ako je potrebno, 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 napajati baterijama, a baterije zauzvrat električnim motorima.
Ova energetska elektronika dolazi u obliku poluvodičkih pretvarača na bazi poluvodiča od silicijevog karbida, čiji nedostaci, po pravilu, uključuju veliku veličinu i cijenu, kao i gubitak topline. Energetska elektronika također zahtijeva upravljačku elektroniku sličnu onoj koja pokreće motor s unutrašnjim sagorijevanjem.
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, posebno u području lakih taktičkih vozila, ostalo je nekoliko neriješenih tehnoloških problema. Ovi se problemi mogu smatrati u velikoj mjeri riješenima za civilna vozila jer rade u mnogo povoljnijim uvjetima.
Električni automobili pokazali su se vrlo brzima. Na primjer, eksperimentalno četvorosjedno vozilo „Reckless Utility“Tactical Vehicle (UTV) kompanije Nikola Motor može ubrzati od 0 do 97 km / h za 4 sekunde i ima domet od 241 km.
"Raspored je, međutim, jedan od onih velikih izazova", kaže se u izvještaju DRDC -a. Veličina, težina i rasipanje topline baterija su prilično veliki i mora se napraviti kompromis između ukupnog energetskog kapaciteta i trenutne snage koju mogu isporučiti za datu masu i zapreminu. Raspodjela volumena visokonaponskih kabela, njihova pouzdanost i sigurnost također predstavljaju uska grla, zajedno s veličinom, težinom, hlađenjem, pouzdanošću i hidroizolacijom energetske elektronike.
Toplina i prašina
Izvještaj kaže da su promjene temperature 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.
Slično, na temperaturama iznad oko 65 ° C, učinkovitost uređaja kao što su IGBT pretvarači opada i stoga je potrebno hlađenje, iako novija energetska elektronika na bazi poluvodiča od silicijevog karbida ili galijevog nitrida, osim što radi pri povećanom naponu, podnosi i više temperature i, stoga se može hladiti iz sistema za hlađenje motora.
Osim toga, udarci 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 izvještaju.
Izvještaj 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 na odgovarajuću najveću snagu, a set super- ili ultrakondenzatora instaliran je za poboljšanje ubrzanja i ocjenjivanja. Superkondenzatori ili ultrakondenzatori pohranjuju vrlo veliko punjenje na kratko vrijeme i mogu ga otpustiti vrlo brzo za generiranje impulsa snage. Automobil uopće neće biti ili će biti ugrađena vrlo mala baterija, električna energija će se stvarati tijekom procesa 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, jer je eliminirano rasipanje sekundarnih ostataka i fragmenata. Bez baterije, interna zapremina posade i korisni teret će se povećati 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: manja potrošnja goriva relativno malog dizelskog motora koji radi pri konstantnim o / min, 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 sistem koji će omogućiti njenim borbenim vozilima kretanje po težim terenima pri većim brzinama, što će značajno smanjiti postotak terena u ratnim zonama na kojima se sadašnji automobili ne mogu kretati. Takozvani neprohodni teren čini oko 22% ovih zona, a vojska želi smanjiti tu brojku na 6%. Također žele povećati prosječnu brzinu u većem dijelu područja sa današnjih 16 km / h na 24 km / h.
Osim toga, Brandl je naglasio da se planira povećanje potrošnje energije 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 zaštitnim sistemima, hlađenje energetske elektronike., izvoz energije i usmjereno energetsko oružje.
Američka vojska procjenjuje da će podmirivanje ovih potreba trenutnom tehnologijom turbodizelaša povećati volumen 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 / m3. ft do 6 KS / cu. stopalo.
Iako su veća gustoća snage i bolja učinkovitost goriva vrlo važni za sljedeću generaciju vojnih motora, jednako je važno smanjiti i toplinsku snagu. Ova proizvedena toplina troši se rasipana energija koja se rasipa u okolni prostor, iako se može koristiti za pogon ili proizvodnju električne energije. No, nije 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. Kao rezultat toga, plinskim turbinama nisu potrebni sistemi hlađenja koji su potrebni dizelskim motorima. Visoka specifična snaga dizelskih motora može se postići samo rješavanjem problema termičke regulacije. Brandl je naglasio da je to uglavnom zbog ograničene količine raspoložive za rashladnu opremu, poput cjevovoda, pumpi, ventilatora i radijatora. Osim toga, zaštitne strukture, poput neprobojnih rešetki, također preuzimaju volumen i ograničavaju protok zraka, smanjujući efikasnost ventilatora.
Klipovi prema
Kao što je Brandl primijetio, ACE program se fokusira na dvotaktne dizel / motore na više goriva sa suprotnim klipovima zbog svojstvenog niskog rasipanja topline. U takvim se motorima u svaki cilindar postavljaju dva klipa, koji međusobno tvore komoru za izgaranje, pa je tako isključena glava cilindra, ali to zahtijeva dvije radilice i usisne i ispušne otvore u stijenkama cilindra. Bokserski motori datiraju iz 1930 -ih godina i neprestano su se poboljšavali desetljećima. Ovu staru ideju nije poštedjela ni kompanija Achates Power koja je u saradnji sa Cummins -om oživjela i modernizirala ovaj motor.
Glasnogovornik Achates Power -a rekao je da je njihova bokserska tehnologija poboljšala toplinsku efikasnost, što znači manje gubitke topline, poboljšano sagorijevanje i smanjenje gubitaka pri pumpanju. Uklanjanjem glave motora značajno je smanjen omjer površine prema volumenu u komori za izgaranje, a time i prijenos i oslobađanje topline u motoru. Nasuprot tome, u tradicionalnom četverotaktnom motoru glava cilindra sadrži mnoge najtoplije komponente i glavni je izvor prijenosa topline u rashladnu tekućinu i okolnu atmosferu.
Achates sistem sagorijevanja koristi dvostruke brizgaljke za gorivo dijametralno postavljene u svakom cilindru i patentirani oblik klipa za optimizaciju smjese zrak / gorivo, što rezultira niskim sagorijevanjem 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 istovremeni udar ima blagotvoran učinak na ekonomičnost potrošnje goriva i emisije.
Američka vojska želi da ACE familija modularno prilagodljivih pogonskih agregata uključuje 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 elektrana će zauzimati zapreminu - visinu od 0,53 m i širinu od 1,1 m i, prema tome, dužinu od 1,04 m, 1,25 m i 1,6 m.
Tehnološki ciljevi
Interna vojna studija sprovedena 2010. potvrdila je prednosti bokserskih motora, što je rezultiralo projektom borbene mašine sljedeće generacije (NGCE), u kojem su industrijska preduzeća predstavila svoj razvoj u ovoj oblasti. Zadatak je bio postići 71 KS. po cilindru i ukupne snage 225 KS. Do 2015. godine oba su ova broja lako premašena na eksperimentalnom motoru testiranom u Armored Research Centru.
U veljači iste godine vojska je dodijelila ugovore 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 rad 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 julu 2018. godine, a početna radna ispitivanja završena su do kraja iste godine. U kolovozu 2019. motor je isporučen Direkciji TARDEC na ugradnju i ispitivanje.
Kombinacija bokserskog motora i hibridnog električnog pogona poboljšala bi efikasnost vozila različitih vrsta i veličina, vojnih i civilnih. Imajući ovo na umu, Uprava za napredna istraživanja i razvoj izdala je Achatesu 2 miliona dolara za razvoj naprednog jednocilindričnog bokserskog motora za buduća hibridna vozila; na ovom projektu kompanija sarađuje sa Univerzitetom u Michiganu i Nissanom.
Upravljanje klipom
U skladu s konceptom, ovaj motor je po prvi put tako blisko integrirao električni podsistem i motor s unutrašnjim sagorijevanjem, pa se svaka od dvije radilice rotira i može se pokretati vlastitim agregatom motora; nema mehaničkih veza između vratila.
Achates je potvrdio da je motor dizajniran samo za sekvencijalne hibridne sisteme, 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. Kao rezultat toga, mogu se 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 efikasnost motora s unutrašnjim sagorijevanjem." Glasnogovornik Achatesa potvrdio je da ova konfiguracija omogućava kontrolu vremena radilice, što otvara nove mogućnosti. "Nastojimo poboljšati efikasnost upravljanja klipom, koja nije dostupna uz tradicionalnu mehaničku komunikaciju."
U ovom trenutku postoji malo dostupnih informacija o tome kako se može koristiti neovisno upravljanje klipom, ali u teoriji je moguće povećati hod od kompresionog hoda, na primjer, i tako izvući više energije iz naboja zraka / goriva mešavina. 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 bilo očito da velika poboljšanja u zrelim tehnologijama, poput motora s unutrašnjim sagorijevanjem, nije lako postići, ali napredni bokserski motori mogli bi biti ono što bi vojnim vozilima pružilo stvarne prednosti, posebno u kombinaciji s električnim pogonskim sistemima. …
