Energię niezbędną do napędzania pojazdów naziemnych oraz obsługi ich systemów i zespołów tradycyjnie dostarczają silniki wysokoprężne. Zmniejszenie zużycia paliwa nie tylko zwiększa zasięg, ale również zmniejsza ilość logistyki, którą determinuje utrzymanie zapasów paliwa oraz zwiększa ochronę tylnego personelu obsługi w procesie serwisowania urządzeń.
W związku z tym siły zbrojne dążą do znalezienia rozwiązania, w którym wysoka sprawność i wysokie ciepło właściwe spalania oleju napędowego tkwiące w układach z napędem elektrycznym działałyby w jednym „zespole”. Nowe rozwiązania hybrydowe i zaawansowane silniki spalinowe mają potencjał, aby zaoferować wiele praktycznych korzyści, a także cichy napęd jednoelektryczny, ciche monitorowanie (czujniki zasilane bateryjnie podczas postoju) oraz wytwarzanie energii dla odbiorców zewnętrznych.
Potencjał układu napędowego
Na przykład Research Canada (DRDC) bada wykonalność hybrydowych układów napędowych spalinowo-elektrycznych. FDA opublikowała swoje badania w 2018 roku, koncentrując się na lekkich platformach taktycznych, takich jak HMMWV, ultralekkie pojazdy bojowe klasy DAGOR oraz małe jedno- i wielomiejscowe pojazdy ATV.
Raport Feasibility of Hybrid Diesel-Electric Powertrains for Light Tactical Vehicles zauważa, że w większości trybów jazdy, w których prędkości i obciążenia znacznie się różnią (zwykle w terenie), hybrydy mają o 15% -20% lepszą wydajność paliwową pod względem oszczędności paliwa. tradycyjne maszyny z napędem mechanicznym, zwłaszcza przy zastosowaniu hamowania odzyskowego. Ponadto silniki spalinowe, w tym wysokoprężne, najlepiej pracują przy odpowiednio dobranych stałych obrotach, co jest typowe dla sekwencyjnych układów hybrydowych, w których silnik pracuje tylko jako generator.
Jak zauważa raport, ponieważ moc silnika można uzupełniać akumulatorami w krótkich okresach szczytowego zużycia, silnik można dostroić tak, aby zapewniał tylko średnią wymaganą moc, przy czym mniejsze jednostki napędowe zwykle zużywają mniej paliwa, przy czym wszystkie inne czynniki są takie same.
Przy wystarczającej pojemności akumulatora hybrydy mogą również przez długi czas pozostawać w trybie cichego monitorowania z wyłączonym silnikiem i działającymi czujnikami, elektroniką i systemami komunikacyjnymi. Ponadto system może zasilać sprzęt zewnętrzny, ładować akumulatory, a nawet zasilać obóz wojskowy, zmniejszając zapotrzebowanie na holowane generatory.
Podczas gdy napędy hybrydowe oferują doskonałą wydajność pod względem prędkości, przyspieszenia i pokonywania wzniesień, akumulator może być ciężki i nieporęczny, co skutkuje zmniejszeniem ładowności, powiedział DRDC. Może to stanowić problem w przypadku pojazdów ultralekkich i jednomiejscowych pojazdów ATV. Ponadto w niskich temperaturach zmniejszają się właściwości samych akumulatorów, często mają one problemy z ładowaniem i kontrolą temperatury.
Chociaż sekwencyjne hybrydy eliminują mechaniczną skrzynię biegów, potrzeba silnika, generatora, elektroniki mocy i akumulatora nieuchronnie czyni je ostatecznie trudnymi i kosztownymi w zakupie i utrzymaniu.
Większość elektrolitów akumulatorowych może również stanowić zagrożenie w przypadku uszkodzenia, na przykład ogniwa litowo-jonowe zapalają się po uszkodzeniu. Raport wskazuje, czy stanowi to większe ryzyko niż dostarczanie oleju napędowego, jest to kwestia dyskusyjna, ale hybrydy niosą ze sobą oba rodzaje ryzyka.
Wybór kombinacji
Dwa główne schematy łączenia silników spalinowych z urządzeniami elektrycznymi są szeregowe i równoległe. Jak wspomniano powyżej, seryjna platforma hybrydowa to maszyna elektryczna z generatorem, natomiast równolegle pracuje silnik i silnik trakcyjny, które poprzez połączoną z nimi przekładnię mechaniczną przekazują moc na koła. Oznacza to, że silnik lub silnik trakcyjny może napędzać maszynę indywidualnie lub mogą współpracować.
W obu typach hybryd komponent elektryczny jest zwykle zespołem silnik-generator (MGU), który może przekształcać energię elektryczną w ruch i odwrotnie. Może prowadzić samochód, ładować akumulator, uruchamiać silnik i w razie potrzeby oszczędzać energię poprzez hamowanie rekuperacyjne.
Zarówno hybrydy szeregowe, jak i równoległe opierają się na elektronice mocy, która zarządza mocą akumulatora i reguluje temperaturę akumulatora. Zapewniają również napięcie i natężenie, które generator musi dostarczać do akumulatorów, a akumulatory z kolei do silników elektrycznych.
Ta energoelektronika występuje w postaci falowników półprzewodnikowych opartych na półprzewodnikach z węglika krzemu, których wady z reguły obejmują duże rozmiary i koszty, a także straty ciepła. Elektronika mocy wymaga również elektroniki sterującej podobnej do tej, która zasila silnik spalinowy.
Do tej pory historia napędzanych elektrycznie pojazdów wojskowych składała się z eksperymentalnych i ambitnych programów rozwojowych, które ostatecznie zostały zamknięte. W realnej eksploatacji nadal nie ma hybrydowych pojazdów wojskowych, w szczególności w dziedzinie lekkich pojazdów taktycznych pozostaje kilka nierozwiązanych problemów technologicznych. Problemy te można uznać za w dużej mierze rozwiązane w przypadku pojazdów cywilnych, ponieważ działają one w znacznie korzystniejszych warunkach.
Samochody elektryczne okazały się bardzo szybkie. Na przykład eksperymentalny czteromiejscowy pojazd Reckless Utility Tactical Vehicle (UTV) firmy Nikola Motor, zasilany bateryjnie, może przyspieszyć od 0 do 97 km/hw 4 sekundy i ma zasięg 241 km.
„Układ jest jednak jednym z tych wielkich wyzwań”, mówi raport DRDC. Rozmiary, waga i rozpraszanie ciepła akumulatorów są dość duże i należy znaleźć kompromis między całkowitą pojemnością energetyczną a mocą chwilową, jaką mogą one dostarczyć dla danej masy i objętości. Wąskimi gardłami są również alokacja objętości dla kabli wysokiego napięcia, ich niezawodność i bezpieczeństwo, a także rozmiar, waga, chłodzenie, niezawodność i wodoodporność energoelektroniki.
Ciepło i kurz
Raport mówi, że wahania temperatury, z jakimi borykają się pojazdy wojskowe, są prawdopodobnie największym problemem, ponieważ akumulatory litowo-jonowe nie ładują się w temperaturach poniżej zera, a systemy grzewcze zwiększają złożoność i wymagają energii. Akumulatory, które przegrzewają się podczas rozładowania, są potencjalnie niebezpieczne, należy je schłodzić lub zredukować do trybu zredukowanego, podczas gdy silniki i generatory również mogą się przegrzewać, wreszcie nie należy zapominać o magnesach trwałych, które są podatne na rozmagnesowanie.
Podobnie w temperaturach powyżej około 65°C spada sprawność urządzeń takich jak inwertery IGBT i dlatego wymaga chłodzenia, chociaż nowsze energoelektronika oparta na półprzewodnikach z węglika krzemu czy azotku galu, oprócz pracy przy podwyższonym napięciu, wytrzymuje wyższe temperatury i, dlatego może być chłodzony z układu chłodzenia silnika.
Ponadto wstrząsy i wibracje spowodowane nierównym terenem, a także potencjalne szkody, które mogą być spowodowane ostrzałem i eksplozjami, również utrudniają integrację technologii napędu elektrycznego z lekkimi pojazdami wojskowymi, zauważa raport.
Z raportu wynika, że DRDC powinien zamówić demonstrator technologii. Jest to stosunkowo prosty lekki sekwencyjny hybrydowy pojazd taktyczny z silnikami elektrycznymi zainstalowanymi w piastach kół lub na osiach, silnik wysokoprężny jest dostrojony do odpowiedniej mocy szczytowej, a zestaw super- lub ultrakondensatorów jest zainstalowany w celu poprawy przyspieszenia i pokonywania wzniesień. Superkondensatory lub ultrakondensatory przechowują bardzo duży ładunek przez krótki czas i mogą go bardzo szybko uwolnić, aby wygenerować impulsy mocy. Auta albo w ogóle nie będzie, albo zostanie zainstalowany bardzo mały akumulator, podczas hamowania regeneracyjnego będzie generowana energia elektryczna, w rezultacie tryby cichego ruchu i cichej obserwacji są wykluczone.
Kable zasilające biegnące do samych kół, zastępujące mechaniczną skrzynię biegów i wały napędowe, znacznie zmniejszą wagę maszyny i poprawią ochronę przeciwwybuchową, ponieważ eliminuje się rozpraszanie wtórnych gruzu i fragmentów. Bez akumulatora pojemność wewnętrzna załogi i ładunku zwiększy się i stanie się bezpieczniejsza, a problemy związane z konserwacją i zarządzaniem temperaturą akumulatorów litowo-jonowych zostaną wyeliminowane.
Ponadto przy tworzeniu prototypu stawiane są następujące cele: mniejsze zużycie paliwa stosunkowo niewielkiego silnika wysokoprężnego pracującego na stałych obrotach, połączone z odzyskiem energii, zwiększone wytwarzanie energii do pracy czujników lub eksport energii, zwiększona niezawodność i lepszy serwis.
Guzy nie obchodzi
Jak wyjaśnił Bruce Brandl z Armored Research Center (TARDEC) podczas prezentacji poświęconej rozwojowi silników, armia amerykańska chce systemu napędowego, który umożliwi jej pojazdom bojowym poruszanie się po trudniejszym terenie z większą prędkością, co znacznie zmniejszy odsetek terenu w strefach wojennych, po których obecne samochody nie mogą się poruszać. Tak zwany nieprzekraczalny teren stanowi około 22% tych stref, a armia chce zmniejszyć tę liczbę do 6%. Chcą też zwiększyć średnią prędkość na większości obszaru z dzisiejszych 16 km/h do 24 km/h.
Ponadto Brandl podkreślił, że planowane jest zwiększenie zapotrzebowania na energię na pokładzie do co najmniej 250 kW, czyli więcej niż to, co mogą zapewnić generatory maszyny, ponieważ dodawane są obciążenia z nowych technologii, na przykład zelektryfikowanych wież i systemów zabezpieczających, chłodzenie energoelektroniki., eksport energii i ukierunkowana broń energetyczna.
Armia amerykańska szacuje, że zaspokojenie tych potrzeb przy pomocy obecnej technologii turbodiesla zwiększy pojemność silnika o 56%, a masę pojazdu o około 1400 kg. Dlatego przy opracowywaniu swojej zaawansowanej elektrowni Advanced Combat Engine (ACE) postawiono główne zadanie - podwojenie całkowitej gęstości mocy z 3 KM/cu. stopy do 6 KM/m3. stopa.
Podczas gdy wyższa gęstość mocy i lepsza efektywność paliwowa są bardzo ważne dla następnej generacji silników wojskowych, równie ważne jest zmniejszenie wydzielania ciepła. To wytworzone ciepło jest zmarnowaną energią rozpraszaną w otaczającej przestrzeni, chociaż może być wykorzystane do napędzania lub generowania energii elektrycznej. Ale nie zawsze jest możliwe osiągnięcie idealnej równowagi wszystkich tych trzech parametrów, na przykład turbinowy silnik gazowy AGT 1500 czołgu M1 Abrams o mocy 1500 KM. charakteryzuje się niskim przenikaniem ciepła i dużą gęstością mocy, ale bardzo dużym zużyciem paliwa w porównaniu z silnikami wysokoprężnymi.
W rzeczywistości silniki z turbiną gazową generują dużą ilość ciepła, ale większość jest usuwana przez rurę wydechową, ze względu na duże natężenie przepływu gazu. W rezultacie turbiny gazowe nie potrzebują układów chłodzenia, których potrzebują silniki wysokoprężne. Wysoką moc właściwą silników wysokoprężnych można osiągnąć jedynie rozwiązując problem regulacji termicznej. Brandl podkreślił, że wynika to głównie z ograniczonej ilości dostępnej dla urządzeń chłodzących, takich jak rurociągi, pompy, wentylatory i chłodnice. Ponadto konstrukcje ochronne, takie jak kratki kuloodporne, również pochłaniają objętość i ograniczają przepływ powietrza, zmniejszając wydajność wentylatorów.
Tłoki w kierunku
Jak zauważył Brandl, program ACE koncentruje się na dwusuwowych silnikach wysokoprężnych / wielopaliwowych z przeciwstawnymi tłokami ze względu na ich nieodłączne niskie rozpraszanie ciepła. W takich silnikach w każdym cylindrze umieszczone są dwa tłoki, które tworzą między sobą komorę spalania, w wyniku czego głowica cylindra jest wykluczona, ale wymaga to dwóch wałów korbowych oraz otworów dolotowych i wydechowych w ściankach cylindrów. Silniki Boxera sięgają lat 30. XX wieku i przez dziesięciolecia były stale ulepszane. Tego starego pomysłu nie oszczędziła firma Achates Power, która we współpracy z firmą Cummins wskrzesiła i unowocześniła ten silnik.
Rzecznik Achates Power powiedział, że ich technologia bokserów poprawiła wydajność cieplną, co przekłada się na mniejsze straty ciepła, lepsze spalanie i mniejsze straty pompowania. Wyeliminowanie głowicy cylindrów znacznie zmniejszyło stosunek powierzchni do objętości w komorze spalania, a tym samym przenoszenie i uwalnianie ciepła w silniku. W przeciwieństwie do tego, w tradycyjnym silniku czterosuwowym głowica cylindra zawiera wiele najgorętszych elementów i jest głównym źródłem przenoszenia ciepła do płynu chłodzącego i otaczającej atmosfery.
System spalania Achates wykorzystuje dwa wtryskiwacze paliwa umieszczone średnicowo w każdym cylindrze oraz opatentowany kształt tłoka w celu optymalizacji mieszanki paliwowo-powietrznej, co skutkuje niskim spalaniem sadzy i zmniejszoną przenoszeniem ciepła do ścian komory spalania. Świeży ładunek mieszanki jest wtryskiwany do cylindra, a spaliny wychodzą przez porty, wspomagane przez sprężarkę, która pompuje powietrze przez silnik. Achates zwraca uwagę, że ten współprądowy wydmuch ma korzystny wpływ na oszczędność paliwa i emisje.
Armia amerykańska chce, aby rodzina modułowych, skalowalnych układów napędowych ACE obejmowała silniki o tej samej średnicy i skoku oraz różnej liczbie cylindrów: 600-750 KM. (3 cylindry); 300-1000 KM (4); i 1200-1500 KM. (6). Każda elektrownia zajmie objętość - wysokość 0,53 mi szerokość 1, 1 mi odpowiednio długość 1,04 m, 1,25 mi 1,6 m.
Cele technologiczne
Wewnętrzne badania armii przeprowadzone w 2010 r. potwierdziły zalety silników typu bokser, czego efektem jest projekt Next-Generation Combat Engine (NGCE), w którym przedsiębiorstwa przemysłowe zaprezentowały swoje osiągnięcia w tym zakresie. Zadanie polegało na osiągnięciu 71 KM. na cylinder i łącznej mocy 225 KM. Do 2015 roku obie te liczby zostały z łatwością przekroczone na eksperymentalnym silniku testowanym w Armored Research Center.
W lutym tego samego roku armia przyznała kontrakty firmom AVL Powertrain Engineering i Achates Power na eksperymentalne jednocylindrowe silniki ACE w ramach dwuletniego programu, w ramach którego celem było osiągnięcie następujących cech: moc 250 KM, moment obrotowy 678 Nm, jednostkowe zużycie paliwa 0,14 kg/KM/h oraz rozpraszanie ciepła poniżej 0,45 kW/kW. Wszystkie wskaźniki zostały przekroczone, z wyjątkiem wymiany ciepła, tutaj nie można było spaść poniżej 0,506 kW / kW.
Latem 2017 roku Cummins i Achates rozpoczęli prace w ramach kontraktu ACE Multi-Cylinder Engine (MCE), aby zademonstrować czterocylindrowy silnik o mocy 1000 KM. moment obrotowy 2700 Nm i takie same wymagania dotyczące jednostkowego zużycia paliwa i wymiany ciepła. Pierwszy silnik został wyprodukowany w lipcu 2018 roku, a wstępne testy eksploatacyjne zakończono pod koniec tego samego roku. W sierpniu 2019 silnik został dostarczony do Dyrekcji TARDEC w celu instalacji i testów.
Połączenie silnika typu bokser i hybrydowego napędu elektrycznego poprawiłoby sprawność pojazdów różnych typów i rozmiarów, zarówno wojskowych, jak i cywilnych. Mając to na uwadze, Urząd ds. Zaawansowanych Badań i Rozwoju wydał firmie Achates 2 miliony dolarów na opracowanie zaawansowanego jednocylindrowego silnika typu bokser dla przyszłych pojazdów hybrydowych; w tym projekcie firma współpracuje z Uniwersytetem Michigan i Nissanem.
Sterowanie tłokiem
Zgodnie z koncepcją, silnik ten po raz pierwszy tak ściśle zintegrował podsystem elektryczny i silnik spalinowy wewnętrznego spalania, każdy z dwóch wałów korbowych obraca się i może być napędzany przez własny zespół silnik-generator; nie ma mechanicznego połączenia między wałami.
Achates potwierdził, że silnik jest przeznaczony tylko do sekwencyjnych systemów hybrydowych, ponieważ cała wytwarzana przez niego moc jest przekazywana elektrycznie, a agregaty ładują akumulator, aby zwiększyć zasięg. Bez mechanicznego połączenia między wałami moment nie jest przenoszony, co prowadzi do zmniejszenia obciążeń. W rezultacie mogą być lżejsze, zmniejszyć całkowitą wagę i rozmiar, tarcie i hałas, a także obniżyć koszty.
Co być może najważniejsze, odsprzęgnięte wały korbowe umożliwiają niezależne sterowanie każdym tłokiem poprzez zastosowanie elektroniki mocy. „To ważna część naszego projektu, ważne jest, aby określić, w jaki sposób rozwój silników elektrycznych i sterowników może poprawić wydajność silnika spalinowego”. Rzecznik Achates potwierdził, że ta konfiguracja pozwala na sterowanie rozrządem wału korbowego, co otwiera nowe możliwości. „Dążymy do poprawy efektywności sterowania tłokiem, co nie jest dostępne przy tradycyjnej komunikacji mechanicznej”.
W tym momencie dostępnych jest niewiele informacji na temat tego, jak można wykorzystać niezależne sterowanie tłokiem, ale teoretycznie możliwe jest na przykład zwiększenie skoku niż skok sprężania, a tym samym uzyskanie większej ilości energii z ładunku powietrza/paliwa mieszanina. Podobny schemat jest realizowany w czterosuwowych silnikach Atkinsona montowanych w samochodach hybrydowych. Na przykład w Toyocie Prius osiąga się to dzięki zmiennym fazom rozrządu.
Przez długi czas było oczywiste, że duże ulepszenia w dojrzałych technologiach, takich jak silniki spalinowe, nie są łatwe do osiągnięcia, ale zaawansowane silniki typu boxer mogą być tym, co przyniosłoby realne korzyści pojazdom wojskowym, zwłaszcza w połączeniu z napędem elektrycznym. …
